Les Cours Materiaux

MATERIAUX DE CONSTRUCTION SOMMAIRE : 1. Introduction 1.1. L'ingénieur et les matériaux 1.2. Classification des matériaux 1.3. Propriétés des matériaux de construction Exercices

2. Les ciments 2.1. Introduction 2.2 Principe de fabrication ciment portland 2.3 Constituants principaux et additions. 2.4 Les principales catégories de ciment. 2.5 Caractéristiques du ciment portland. Expériences

3. Les granulats 3.1 Introduction 3.2 Courbes granulométriques 3.3 Classification des granulats 3.4 Caractéristiques des granulats 3.5 Différents types de granulats Expériences

4. La pâte de ciment 4.1 Introcduction 4.2 Caractéristiques

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5. Le mortier 5.1 Introduction 5.2 Composition 5.3 Les différents mortiers 5.4 Caractéristiques principales Expériences

6. Le béton 6.1 Introduction 6.2 Classification 6.3 Sélection des éléments 6.4 Etude de la composition 6.5 Caractéristiques principales du béton frais 6.6 Caractéristiques principales du béton durcissant 6.6 Caractéristiques principales du béton durcissant 6.7 Les déformations du béton Expériences

7. Briques, blocs de béton, béton préfabriqué 7.1 Briques 7.2 Blocs de béton 7.3 Béton préfabriqué

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Présentation du chapitre 1 Dans ce chapitre, nous présenterons tout d'abord l'importance des matériaux dans le métier d'ingénieur. Les deux sections suivantes traiterons de la classification et des propriétés principales des matériaux. En sciences des matériaux, il est possible de classer les matériaux de base en trois catégories, mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon les domaines d‟emploi et les caractéristiques principales. Les propriétés principales des matériaux de construction peuvent être généralement divisées en plusieurs groupes telles que: 

Propriétés physiques.



Propriétés mécaniques.



Propriétés chimiques.



Propriétés physico-chimiques.



Propriétés thermiques. Dans la section 1.2, nous verrons la classification des matériaux. Dans la section 1.3, nous détaillerons les différentes propriétés physiques et mécaniques des matériaux de construction. Dans la partie Exercices, quelques questions vous permettront de tester vos connaissances.

Sommaire du chapitre 1 1.1. L'ingénieur et les matériaux 1.2. Classification des matériaux

.3. Propriétés des matériaux de construction

1. L’Ingénieur et les Matériaux Il existe plusieurs définitions du terme ingénieur. D’après Larousse: Homme qui conduit et dirige à l’aide des mathématiques appliquées des travaux d’Art.

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D’après Robert: Personne qui a reçu une formation scientifique et technique le rendant apte à diriger certains travaux.

En général, l‟ingénieur est une personne qui a terminé des études scientifiques de niveau Bac + 5 dans différents domaines: Génie civil, Génie électrique, Génie mécanique etc. Selon le programme des études d'ingénieur à l‟Université Nationale du Laos, particulièrement en Génie civil, les étudiants doivent valider en tout 172 unités d'enseignement: 41 unités pour les cours généraux, 56 unités sur les sciences de base et 86 unités concernent la spécialité. Il y a 3 unités d'enseignement de spécialité sur les matériaux de construction. Comme l'illustre le shéma suivant, l ‟ingénieur en génie civil doit connaître les matériaux quelque soit son domaine d‟activité.

1.2. Classification des matériaux de construction En sciences des matériaux, il est possible de classer les matériaux de base en trois catégories: 

Les métaux



Les polymères



Les céramiques

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Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon des domaines d‟emploi et des caractéristiques principales: les matériaux de construction et les matériaux de protection. Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes: 

Pierres



Terres cuites



Bois



Béton



Métaux, etc. Les matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les matériaux de construction principaux:



Enduits



Peintures



Bitumes, etc.

1.3. Propriétés des matériaux de construction Les propriétés principales des matériaux peuvent être divisées en plusieurs groupes tels que:     

Propriétés physiques: (la dimension; la densité; la masse volumique de différentes conditions; la porosité; l'humidité etc..), Propriétés mécaniques: (la résistance en compression, en traction, en torsion etc..) Propriétés chimiques: (l‟alcalinité, l‟acide etc..) Propriétés physico-chimiques: (l'absorption, la perméabilité, le retrait et le gonflement etc..) Propriétés thermiques: (la dilatation, la résistance et comportement au feu, etc..) Quelques caractéristiques et propriétés physiques courantes des matériaux de construction sont: Propriétés liées à la masse et au volume:

  

Masse spécifique Masse volumique Porosité, densité Propriétés liées à l‟eau:

 

Humidité Perméabilité Degré d'absorption d‟eau Variation de dimension en fonction de la teneur en eau Propriétés thermiques:

    

Résistance et comportement au feu Chaleur spécifique Coefficient d‟expansion thermique Les caractéristiques et propriétés mécaniques principales d‟un matériau sont: la résistance à la compression, la résistance à la traction, le module de formation, le module d‟électricité, etc. Les matériaux de construction doivent: Page 5

1. posséder certaines propriétés techniques 2. pouvoir facilement être travaillés 3. être économiques. La science des matériaux s‟efforce de relier les propriétés macroscopiques des matériaux à leur structure microscopique. La technologie des matériaux s‟occupe des domaines d‟application de la science des matériaux à l‟art de construire (à savoir: choix des matériaux, détermination de leurs caractéristiques, connaissance de leurs propriétés, techniques de mise en oeuvre, méthodes d‟essais, développement de nouveaux matériaux ou systèmes de matériaux). Dans ce cours on va présenter quelques propriétés comme les propriétés physiques et les propriétés mécaniques.

1.3.1 Les propriétés physiques La masse volumique apparente Définition: C’est la masse d’un corps par unité de volume apparent en état naturel, après passage à l’étuve à 105 ±5 °C, notée γ0 et exprimée en (gr/cm3 ; kg/m3; T/m3).

Détermination: Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la masse volumique apparente des matériaux de construction selon leur dimension et leur dispersion: a) Pour les matériaux solides : les roches naturelles, le béton, le bois .., on peut faire des échantillons de forme géométrique (cubique, cylindrique, ..).

b) Pour les matériaux incohérents (ensemble de grains – sable ou gravier). La détermination de la masse volumique apparente peut se faire en utilisant un récipient standart (de volume connu).

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La masse volumique d‟un ensemble de grains est fortement influencée par la composition granulométrique, la forme des grains, le degré de tassement ainsi que la teneur en eau lorsque les grains sont petits. La masse volumique apparente des sables ou des graviers peuvent varier entre 1400 à 1650 kg/m 3. c)Pour les matériaux de construction qui n’ont pas de forme géométrique (forme de patate). La détermination de la masse volumique apparente des matériaux avec cette forme peut se faire de façon indirecte. Dans ce cas, les échantillons étudiés doivent être enrobés de parafine afin d'être protégés de la pénétration de l‟eau, ensuite on va les peser dans l‟eau. Pour déterminer la masse volumique des matériaux de ce type on a: MS - Masse sèche d‟échantillon (g) MS+P - Masse sèche d‟échantillon après avoir enrober une parafine (g). M(S+P)L - Masse sèche d‟échantillon après avoir enrobé de parafine et pesé dans l‟eau (g). gP – Masse de la parafine ayant enrobé de l‟échantillon et γp – masse volumique absolue de parafine.

La masse volumique absolue Définition: C'est la masse d’un corps par unité de volume absolu de matière pleine (volume de matière seule, pores à l'intérieur des grains exclus), après passage à l’étuve à 105 °C, notée ρ et exprimée en (g/cm3, kg/m3 ou T/m3).

Détermination: Si les matériaux étudiés sont poreux, on doit les concasser et les broyer jusqu‟à ce que la dimension des grains de matériaux (l‟échantillon) devienne inférieurs à 0,2 mm. Ceci afin d'éliminer les pores et les vides existants dans les matériaux. Ensuite, on verse l‟échantillon dans un récipient, qui contient de l'eau pour pouvoir déterminer la masse volumique absolue (Voir la figure 1.3.1)

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Fig 1.3.1: Détermination de la masse volumique absolue d'un matériau D'abord on va remplir le voluménomètre d‟eau (N 1), ensuite on verse l‟échantillon sec dans le voluménomètre et le niveau de l‟eau va augmenter (N2). La différence entre le niveau N1 et N2 est le volume absolu de l‟échantillon. La masse volumique absolue peut se calculer:

Si les grains ne sont pas poreux, la masse spécifique absolue et apparente sont identiques

A la place de la masse spécifique et de la masse volumique, on utilise aussi les anciennes dénominations de poids spécifique et de poids volumique ainsi que les notions de densité apparente qui sont des nombres sans dimension égaux au rapport de la masse spécifique ou de la masse volumique à la masse d‟un volume égal absolu ou apparent d‟eau à 4° C.

La porosité et compacité (les granulats) Porosité: La porosité est le rapport du volume vide au volume total.

Fig 1.2: Volume quelconque On peut aussi définir la porosité comme le volume de vide par unité de volume apparent.

Compacité: La compacité est le rapport du volume des pleins au volume total.

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Fig 1.3: Volume initaire Ou volume des pleins par unité de volume apparent.

La porosité et la compacité sont liées par relation: p+c=1 Porosité et compacité: La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux est alors égale à 100%. En effet:

Si l‟on connaît la masse volumique Δ et la masse spécifique γ0 d‟un matériau, il est aisé de calculer sa compacité et porosité.

L’humidité L‟humidité est une des propriétés importante des matériaux de construction. Elle est un indice pour déterminer la teneur en eau réelle des matériaux au moment de l'expérience. En général l‟humidité est notée W et s‟exprime en pourcentage (%). On peut déterminer l‟humidité de matériaux quelconques en utilisant la formule suivante:

où Gs – est la masse sèche d‟échantillon (après passage à l‟étuve) Gh – est la masse humide d‟échantillon.

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Le degré de l‟humidité des matériaux dépend de beaucoup de facteurs, surtout de l‟atmosphère où ils sont stockés, le vent, la température et de la porosité du matériau.

L’absorption de l’eau L‟absorption de l‟eau du matériau est la capacité de conserver des échantillons quand ils sont immergés au sein de l‟eau à température de 20,5 °C et à la pression atmosphérique. A cette condition l‟eau peut pénétrer dans la plupart des vides intersticiels du matériau. Si la porosité du matériau est importante, l‟absorption de l ‟eau est plus grande, mais l‟absorption est toujours inférieure à la porosité du matériau. On peut déterminer le degré d‟absorption de deux manières: a) L‟absorption calculée suivant la masse du volume apparent d‟échantillon notée H v (%)

où Gab – est la masse absorbante. Gs – est la masse sèche d‟échantillon. V0 – est le volume apparent du matériau. b) L‟absorption calculée suivant la masse de l‟échantillon notée H p (%)

où Gab – est la masse absorbante. Gs – est la masse sèche d‟échantillon. V0 – est le volume apparent du matériau.

Dégré de Saturation (Teneur en eau) La résistance mécanique des matériaux dépend de plusieurs facteurs. Un des plus importants facteurs influençant la résistance est le degré de saturation. On a remarqué que les matériaux absorbants de l‟eau, ont une résistance certainement diminuée. C‟est pourquoi on doit déterminer le degré de saturation de matériaux. Lorsque tous les vides d‟un corps sont remplis d‟eau, on dit qu‟il est saturé. Le degré de saturation est le rapport du volume de vide rempli d‟eau au volume total de vide. Il joue un grand rôle dans les phénomènes de destruction des matériaux poreux par le gel. En se transformant en gel, l‟eau augmente de 9% en volume environ. Le degré de saturation est l‟absorption maximale de matériaux sous les conditions de pression et de température. Il y a deux moyens pour réaliser la saturation dans les échantillons de matériaux: l‟immersion des échantillons dans l‟eau bouillante et à la saturation en pression d‟air . Pour déterminer le degré de saturation en pression d‟air, on a la démarche suivante: 

Immerger les échantillons dans l„eau.

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 

Donner la pression de base de 20 mm Hg jusqu‟au moment où on peut éliminer toutes les bulles d‟air. Ensuite on fait baisser la pression de base de 20 mm Hg à la pression atmosphérique. À ce moment là, presque tout le vide est rempli d‟eau et dans ce cas-là on dit que les échantillons sont saturés. Le degré de saturation peut se calculer par la formule suivante:

où BH – est le degré de saturation (%) Gsat – est la masse d‟échantillon au moment de saturation. Gs – est la masse sèche d‟échantillon. V0 – est le volume apparent du matériau. Mais de toutes façons, on ne peut pas remplir entièrement les vides de l‟échantillon d‟eau, c‟est pourquoi il est obligatoire de présenter cette valeur en une autre solution: "coefficient de saturation", notée C BH et exprimée en %. Ce coefficient peut être calculé avec la formule suivante:

où γ – est le degré de porosité. BH – est le degré de saturation. Pour connaître la diminution de la résistance de matériaux en présence d‟eau, on utilise l‟indice molle:

où Km – Indice molle RBH – Résistance d‟échantillon au moment de saturation.. Rk – Résistance d‟échantillon sec. A la place de la saturation, on utilise aussi la teneur en eau d‟un matériau. Elle est le rapport du poids d‟eau contenu dans ce matériau au poids du même matériau sec. On peut aussi définir la teneur en eau comme le poids d‟eau W contenu par unité de poids de matériau sec.

où E – Poids d‟eau dans le matérau. Ps – Poids du matériau sec. Ph – Poids matériau humide Page 11

Si W est exprimé en % :

A partir des définitions données plus haut, on peut écrire les relations :

L’eau et les matériaux pierreux (Divers états de l’eau dans un matériau poreux) On distingue trois grandes catégories d‟eau:   

L‟eau absorbée: qui se trouve dans le vide entre les particules de matière solide; L‟eau adsorbée: qui se trouve à la surface des particules solides; Plus les particules sont petites, plus cette eau joue un rôle important. La première couche moléculaire est orientée et présente des propriétés voisines de celles de l‟état solide; L‟eau chimiquement liée: qui fait partie des particules solides. Ces distinctions ne sont pas toujours absolument claires. Par exemple, dans le gypse CaSO4.2H2O et dans le plâtre CaSO4.½H2O, l‟eau intervient dans l‟édifice cristallin, mais tout en conservant son identité. Dans un spectre infra-rouge du gypse et du plâtre, il apparaît les bandes anhydrite CaSO 4 et eau H2O juxtaposées. On parle d‟eau d‟hydratation ou de cristallisation. Par contre, dans la réaction MgO + H2O -> Mg(OH)2, l‟eau se combine chimiquement en perdant son identité.

L’eau dans les granulats destinés à la confection des bétons En général, les granulats naturels utilisés pour la confection du béton sont peu poreux et n‟absorbent pratiquement pas d‟eau lorsqu‟ils sont gâchés avec le ciment et l‟eau. Par contre, des granulats artificiels, tels le LECA (Light expanded clay aggregate = agrégats légers expansés d‟argile), sont poreux. Il faut alors tenir compte de l‟absorption de l‟eau par les granulats lorsque l‟on détermine la quantité d‟eau requise pour fabriquer le béton.

1.3.2 Les propriétés mécaniques La déformation: La déformation est une des propriétés essentielles pour des matériaux de construction. Selon la caractérisation des déformations, on les divise en trois sortes: 1. Déformation élastique:

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Lorsque l‟on effectue un essai de mise en charge et si, après décharge le corps reprend les mêmes formes qu‟il avait avant l‟essai et qu‟il ne reste aucune déformation résiduelle, on dit que le corps a un comportement parfaitement élastique (Fig 1.4).

De nombreux corps soumis à des charges peu élevées ont un comportement presque élastique et la déformation est approximativement proportionnelle à la contrainte. Si l‟on reporte les mesures sur un diagramme contrainte (σ) et déformation (ε), on obtient une ligne droite (Fig 1.5). Ce type de déformation est appelée élasticité linéaire. 2. Déformation plastique: La déformation est dite plastique, si après décharge le corps ne reprend pas les mêmes formes qu‟il avait avant l‟essai, il reste quelques déformations (fig 1.6). Cette déformation est appelée aussi déformation résiduelle.

Le fluage et la relaxation

Lorsqu'un corps est soumis à l'action prolongée d'une force, la déformation instantanée apparaissant lors de la mise en charge est suivie d'une déformation différée lente à laquelle on donne le nom de fluage. Le fluage peut se manifester de deux façons: 1) Le fluage proprement dit (au sens restreint du mot) 2) La relaxation. Admettons que l'action permanente ou de longue durée à laquelle est soumis le corps ait produit un état de contrainte σ 0 et une déformation ε0 à l'instant de la mise en charge. Deux cas extrêmes peuvent se produire:

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La relaxation est une conséquence du fluage, comme cela est bien mis en évidence par les définitions suivantes: Fluage proprement dit = Fluage sous charge constante. Fluage sous charge variable = Superposition de fluages débutant à des âges variables. Relaxation = Fluage sous charge décroissante variable telle que la déformation reste constante.

3. Déformation visqueuse: La déformation est dite visqueuse, si après décharge le corps ne reprend pas instantanément les même formes qu‟il avait avant l‟essai, mais il se produit lentement.

La résistance La résistance des matériaux est un des cours de la formation des ingénieurs en génie civil. Dans ce cours on apprend de façon plus détaillée les calculs du comportement des matériaux, mais dans le cours de "Matériaux de construction" on va montrer seulement la résistance en compression et en traction.

Tableau 1.1 : Schéma et méthode de détermination de la résistance à la compression Formule de Matériaux Echantillon Schéma calcul testés Page 14

Dimension des échantillons (cm)

Cube

Béton Mortier Roche naturelle

15x15x15 7,07x7,07x7,07 10x10x10 15x15x15 20x20x20

Cylindre

Béton Mortier Roche naturelle

d=15 ; h=30 d=h= 5; 7; 10; 15

Prisme

Béton Bois

a=10; 15; 20 h=40; 60; 80 a=2; h=3

Échantillons assemblés

Brique

a=12; b=12,3; h=14

Moitié d'échantillon de Mortier

Ciment

a=4; S=25 cm2

Tableau 3.2.2 : Schéma et méthode de détermination de la résistance à la flexion Formule de Matériaux Echantillon Schéma calcul testés

Dimension des échantillons (cm)

Essai de traction par flexion

Prismatique Brique

Ciment Brique

4x4x16 15x15x15

Prismatique

Béton Bois

15x15x60 2x2x30

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Essai de résistance en traction pure

Béton

Cylindrique Prismatique

Armature

Cylindrique

Béton

5x5x50 10x10x80 d0=1; l0=5; l≥10

d=15; l=30 d=16; l=32

En général la résistance des matériaux est sa capacité contre les actions des forces externes (les charges, les conditions d‟ambiance) étant définie en contrainte maximale quand l‟échantillon est détruit. La propriété principale de béton durci est sa résistance à la compression. Pour pouvoir évaluer la résistance à la compression, on doit avoir la valeur moyenne de trois échantillons au moins, dont les différences entre eux doivent être inférieures à 15 %. Il existe deux méthodes pour déterminer la résistance des matériaux : Méthode «Destruction d"échantillon» et méthode «Non destuction d"échantillon».

3.2.1 Méthode « destruction d’échantillon » La Méthode de destruction d‟échantillon est la plus utilisée, surtout pour déterminer la résistance à la compression de béton, mortier, bloc de béton etc.. Ce type de détermination est largement usitée dans les laboratoires. Le mode opératoire est le suivant:    

Préparation des échantillons. Entretien des échantillons. Destruction des échantillons. Détermination des valeurs de résistance. L‟opération de l‟essai est exécutée sur les réglementations de la norme concernée.

3.2.2 Méthode « Non destruction d’échantillon » La méthode de non destruction d‟échantillon est une des méthodes, qui permet l‟obtention rapide de la résistance des matériaux des ouvrages (béton d‟un ouvrage), sans procéder à des prélèvements de béton durci par carottage. Généralement il existe quelques moyens usités : 



On utilise l‟appareil qui s‟apelle « scléromètre ». En fait il s‟agit de tester la dureté de surface d‟un béton durci (d‟ouvrage). Cette dureté d‟autant plus élevée que le béton est plus résistant, cela permet d‟avoir un ordre de grandeur de la résistance atteinte par un béton à un âge donné. On utilise l‟appareil qui peut lancer le rayon X à travers l ‟ouvrage. Selon le changement de la vitesse du rayon X, il est possible de déterminer la résistance du matériau.

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

L‟utilisation de l‟auscultation sonique : Le principe de l'essai consiste à mesurer la vitesse du son à l‟intérieur du béton. Cette vitesse est d‟autant plus élevée que le béton est plus résistant; cela permet d‟avoir un ordre de grandeur de la résistance atteinte par un béton à un âge donné.

Présentation du chapitre 2 Dans ce chapitre, nous étudierons en détail le matériau de construction qu'est le ciment. Tout d'abord, nous aborderons les différents modes de fabrication du ciment portland dans la section 2.2 . Dans la section 2.3, nous verrons quels sont les constituants principaux du clinker, composant essentiel du ciment, ainsi que les autres constituants du ciment tels que les calcaires, le laitier, les fillers etc... Ensuite, nous classifierons les ciments suivant leur composition et leur résistance dans la section 2.4. Enfin, nous étudierons dans la section 2.5 les caractéristiques physiques et mécaniques du ciment portland telles que la finesse de mouture, la prise, le retrait, la résistance à la compression etc...

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Dans la rubrique Expériences, nous décrirons quelques essais qui vous permettront de mesurer en laboratoire les caractéristiques physiques et mécaniques du ciment. Pour évaluer vos connaissances sur ce chapitre, vous pourrez répondre aux questions de la partie Exercices.

Sommaire du chapitre 2 2.1. Introduction 2.2 Principe de fabrication ciment Portland 2.3 Constituants principaux et additions. 2.4 Les principales catégories de ciment. 2.5 Caractéristiques du ciment portland. Expériences

2.1 Introduction Le ciment est un produit moulu du refroidissement du clinker qui contient un mélange de silicates et d‟aluminates de calcium porté à 1450 – 1550 °C, température de fusion. Le ciment usuel est aussi appelé liant hydraulique, car il a la propriété de s‟hydrater et de durcir en présence d‟eau et par ce que cette hydratation transforme la pâte liante, qui a une consistance de départ plus ou moins fluide, en un solide pratiquement insoluble dans l‟eau. Ce durcissement est dû à l‟hydratation de certains composés minéraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium. L‟expression de «pâte de ciment durcissant» sera utilisée pour désigner la pâte de ciment dans la transformation d‟un état plus ou moins fluide en un état solide.

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2.2 Principe de fabrication ciment portland La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux trois opérations suivantes:   

préparation du cru cuisson broyage et conditionnement Il existe 4 méthodes de fabrication du ciment qui dépendent essentiellement du matériau:

   

Fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne). Fabrication du ciment par voie semi-humide (en partant de la voie humide). Fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée). Fabrication du ciment par voie semi-sèche (en partant de la voie sèche). La composé de base des ciments actuels est un mélange de silicates et d‟aluminates de calcium résultant de la combinaison de la chaux (CaO) avec la silice (SiO2), l‟alumine (Al2O3), et l‟oxyde de fer (Fe2O3). La chaux nécessaire est apportée par des roches calcaires, l‟alumine, la silice et l‟oxyde de fer par des argiles. Les matériaux se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes déjà mentionnés, d‟autres oxydes et en particulier Fe 2O3, l'oxyde ferrique. Le principe de la fabrication du ciment est le suivant: calcaires et argiles sont extraits des carrières, puis concassés, homogénéisés, portés à haute température (1450 °C) dans un four. Le produit obtenu après refroidissement rapide (la trempe) est le clinker. Un mélange d‟argile et de calcaire est chauffé. Au début, on provoque le départ de l‟eau de mouillage, puis au delà de 100 °C, le départ d‟eau d‟avantage liée. A partir de 400°C commence la composition en gaz carbonique (CO 2) et en chaux (CaO), du calcaire qui est le carbonate de calcium (CaCO 3). Le mélange est porté à 1450-1550 °C, température de fusion. Le liquide ainsi obtenu permet l‟obtention des différentes réactions. On suppose que les composants du ciment sont formés de la façon suivante: un partie de CaO est retenu par Al 2O3 et Fe2O3 en formant une masse liquide. SiO2 et CaO restant réagissent pour donner le silicate bicalcique dont une partie se transforme en silicate tricalcique dans la mesure où il reste encore du CaO non combiné.

Fabrication par voie humide Cette voie est utilisée depuis longtemps. C‟est le procédé le plus ancien, le plus simple mais qui demande le plus d‟énergie. Dans ce procédé, le calcaire et l‟argile sont mélangés et broyés finement avec l‟eau de façon, à constituer une pâte assez liquide (28 à 42% d‟eau).On brasse énergiquement cette pâte dans de grands bassins de 8 à 10 m de diamètre, dans lesquels tourne un manège de herses. La pâte est ensuite stockée dans de grands bassins de plusieurs milliers de mètres cubes, où elle est continuellement malaxée et donc homogénéisée. Ce mélange est appelé le cru. Des analyses chimiques permettent de contrôler la composition de cette pâte, et d‟apporter les corrections nécessaires avant sa cuisson. La pâte est ensuite envoyée à l‟entrée d‟un four tournant, chauffé à son extrémité par une flamme intérieure. Un four rotatif légèrement incliné est constitué d‟un cylindre d‟acier dont la longueur peut atteindre 200 mètres. On distingue à l‟intérieure du four plusieurs zones, dont les 3 zones principales sont: Page 19

  

Zone de séchage. Zone de décarbonatation. Zone de clinkerisation. Les parois de la partie supérieure du four (zone de séchage - environ 20% de la longueur du four) sont garnies de chaînes marines afin d‟augmenter les échanges caloriques entre la pâte et les parties chaudes du four. Le clinker à la sortie du four, passe dans des refroidisseurs (trempe du clinker) dont il existe plusieurs types (refroidisseur à grille, à ballonnets). La vitesse de trempe a une influence sur les propriétés du clinker (phase vitreuse). De toutes façons, quelque soit la méthode de fabrication, à la sortie du four, on a un même clinker qui est encore chaud de environ 600-1200 °C. Il faut broyer celui-ci très finement et très régulièrement avec environ 5% de gypse CaSO 4 afin de «régulariser» la prise. Le broyage est une opération délicate et coûteuse, non seulement parce que le clinker est un matériau dur, mais aussi parce que même les meilleurs broyeurs ont des rendements énergétiques déplorables. Les broyeurs à boulets sont de grands cylindres disposés presque horizontalement, remplis à moitié de boulets d‟acier et que l‟on fait tourner rapidement autour de leur axe (20t/mn) et le ciment atteint une température élevée (160°C), ce qui nécessite l‟arrosage extérieur des broyeurs. On introduit le clinker avec un certain pourcentage de gypse en partie haute et on récupère la poudre en partie basse. Dans le broyage à circuit ouvert, le clinker ne passe qu‟une fois dans le broyage. Dans le broyage en circuit fermé, le clinker passe rapidement dans le broyeur puis à la sortie, est trié dans un cyclone. Le broyage a pour but, d‟une part de réduire les grains du clinker en poudre, d‟autre part de procéder à l‟ajout du gypse (environ 4%) pour réguler quelques propriétés du ciment portland (le temps de prise et de durcissement). A la sortie du broyeur, le ciment a une température environ de 160 °C et avant d'être transporter vers des silos de stockages, il doit passer au refroidisseur à force centrifuge pour que la température de ciment reste à environ 65 °C.

Fabrication par voie sèche Les ciments usuels sont fabriqués à partir d‟un mélange de calcaire (CaCO 3) environ de 80% et d‟argile (SiO2 –Al2O3) environ de 20%. Selon l‟origine des matières premières, ce mélange peut être corrigé par apport de bauxite, oxyde de fer ou autres matériaux fournissant le complément d‟alumine et de silice requis. Après avoir finement broyé, la poudre est transportée depuis le silo homogénéisateur jusqu‟au four, soit par pompe, soit par aéroglisseur. Les fours sont constitués de deux parties:  

Un four vertical fixe, préchauffeur (cyclones échangeurs de chaleur). Un four rotatif. Les gaz réchauffent la poudre crue qui circule dans les cyclones en sens inverse, par gravité. La poudre s‟échauffe ainsi jusqu‟à 800 °C environ et perd donc son gaz carbonique (CO2) et son eau. La poudre pénètre ensuite dans un four rotatif analogue à celui utilisé dans la voie humide, mais beaucoup plus court. La méthode de fabrication par voie sèche pose aux fabricants d‟importants problèmes techniques:

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1. La ségrégation possible entre argile et calcaire dans les préchauffeurs. En effet, le système utilisé semble être néfaste et en fait, est utilisé ailleurs, pour trier des particules. Dans le cas de la fabrication des ciments, il n‟en est rien. La poudre reste homogène et ceci peut s'expliquer par le fait que l‟argile et le calcaire ont la même densité (2,70 g/cm3). De plus, le matériel a été conçu dans cet esprit et toutes les précautions ont été prises. 2. Le problème des poussières. Ce problème est rendu d‟autant plus aigu, que les pouvoirs publics, très sensibilisés par les problèmes de nuisance, imposent des conditions draconiennes. Ceci oblige les fabricants à installer des dépoussiéreurs, ce qui augmente considérablement les investissements de la cimenterie.Les dépoussiéreurs sont constitués de grilles de fils métalliques portés à haute tension et sur lesquels viennent se fixer des grains de poussière ionisée. Ces grains de poussière s‟agglomèrent et sous l‟action de vibreurs qui agitent les fils retombent au fond du dépoussiéreur où ils sont récupérés et renvoyés dans le four. En dehors des pannes, ces appareils ont des rendements de l‟ordre de 99%, mais absorbent une part importante du capital d‟équipement de la cimenterie. 3. Le problème de l‟homogénéité du cru est délicat. Nous avons vu comment il pouvait être résolu au moyen d‟une préhomogénéisation puis d‟une homogénéisation. Le schéma de la fabrication du ciment

Le schéma de la fabrication du ciment par voie sèche

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Figure 1. Fabrication du ciment

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2.3 Constituants principaux et additions 2.3.1 Constituants du clinker Les principaux composants anhydres obtenus lors du refroidissement rapide du clinker sont:    

Le silicate tricalcique 3CaO.SiO2 (C3S) (50-70% du clinker). Le silicate bicalcique 2CaO.SiO2 (C2S) (10-30% du clinker). L‟aluminate tricalcique 3CaO.Al.O3 (C3A) (2-15% du clinker). L‟alumino-ferrite tétracalcique (Ferro-aluminate tetracalique) 4CaOAl2O3.Fe2O3 (C4AF) (5-15% du clinker). Le clinker contient encore en faibles quantités, sous forme de solution solide ou pris dans des combinaisons complexes, des alcalis (Na2O, K2O), de la magnésie (MgO), diverses traces de métaux. La teneur en alcalis et magnésie doit rester faible, car ces matières peuvent influencer défavorablement la stabilité du ciment durci. A l‟aide du microscope, on peut distinguer la structure minéralogique du clinker en trois phases, auxquelles les chercheurs donnèrent les noms suivants:

  

A = alite (phase cristallisée), se présente sous la forme de cristaux polygonaux assez grands (grains anguleux foncés) de l‟ordre de 50µ. B = bélite (phase vitreuse), se trouve sous forme impure dans le clinker (grains légèrement arrondis et rayés). C = célite (phase vitreuse légèrement foncée et claire), se trouve dans le clinker sous forme impure et de phase vitreuse.

2.3.2 Les autres constituants des ciment Le ciment portland est composé de clinker moulu auquel on ajoute une quantité de gypse, destiné à régulariser la prise. Pour modifier les propriétés du ciment, on ajoute les autres constituants associés au clinker grâce à leurs caractéristiques chimiques ou physiques. Les constituants les plus utilisés sont: Calcaires: Les calcaires sont considérés comme un des constituants principaux du ciment. Ils doivent présenter une proportion de carbonate de calcium CaCO3 supérieure à 75% en masse. Laitier granulé de haut fourneau: Le laitier est un sous-produit de l'industrie métallurgique ayant des propriétés hydrauliques. Il est obtenu par refroidissement rapide (trempe) de certaines scories fondues provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. Cendres volantes (V ou W): Elles sont les produits pulvérulents de grande finesse, provenant du dépoussiérage des gaz de combustion des centrales thermiques. On distingue: Les cendres volantes siliceuses (V) qui ont des propriétés pouzzolaniques; Les cendres volantes calciques (W) qui ont des propriétés hydrauliques et parfois pouzzolaniques. Schistes calcinés:

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Ce sont des schistes que l‟on porte à une température d‟environ 800 °C dans un four spécial. Finement broyés, ils présentent de fortes propriétés hydrauliques et aussi pouzzolaniques. Fumée de silice: Les fumées de silices sont un sous-produit de l‟industrie du silicium et de ses alliages. Elles sont formées de particules sphériques de très faible diamètre (de l‟ordre de 0,1 µm). Pour entrer dans la composition d‟un ciment en tant que constituant principal, elles doivent être présentes pour au moins 85 % (en masse). Les fumées de silices ont des propriétés pouzzolaniques. Fillers: Ce sont des “constituants secondaires” des ciments, donc ils ne peuvent jamais excéder 5 % en masse dans la composition du ciment. Ce sont des matières minérales, naturelles ou artificielles qui agissent par leur granulométrie sur les propriétés physiques des liants (maniabilité, pouvoir de rétention d‟eau).

2.4 Les principales catégories de ciment. Les ciments peuvent être classés en fonction de leur composition et de leur résistance normale.

2.4.1 Classification des ciments en fonction de leur composition Les ciments constitués de clinker et des constituants secondairs sont classés en fonction de leur composition, en cinq types principaux par les normes NF P15-301 et ENV 197-1. Ils sont notés CEM et numérotés de 1 à 5 en chiffres romains dans leur notation européenne (la notation française est indiquée entre parenthèse):     

CEM I: Ciment portland (CPA - dans la notation française), CEM II: Ciment portland composé ( CPJ), CEM III: Ciment de haut fourneau (CHF), CEM IV: Ciment pouzzolanique (CPZ), CEM V: Ciment au laitier et aux cendres (CLC). La proportion (en masse) des différents constituants est indiquée dans le tableau 2.2. Les constituants marqués d‟une étoile (*) sont considérés comme constituants secondaires pour le type de ciment concerné; leur total ne doit pas dépasser 5%. (Les fillers sont considérés comme des constituants secondaires).

2.4.2 Classification des ciments en fonction de leur résistance normale Trois classes sont définies en fonction de la résistance normale à 28 jours; des sous classes “R” sont associées à ces 3 classes principales pour désigner des ciments dont les résistances au jeune âge sont élevées. Ces classes sont notées, classe 32,5, classe 42,5, classe 52,5. Elles doivent respecter les spécifications et valeurs garanties du tableau 2.3. Les valeurs entre parenthèses sont les valeurs garanties lorsqu‟elles peuvent être inférieures aux valeurs spécifiées.

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Tableau 2.2: Désignation des différents types de ciment en fonction de leur composition

Tableau 2.3: Spécification et valeurs garanties en fonction de la classe

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Tableau 2.4: Limite des classes et sous classes de résistances ( nouvelle norme AFNOR)

2.5. Les caractéristiques du ciment portland 2.5.1 La prise Dès que le ciment anhydre a été mélangé avec de l‟eau, l‟hydratation commence et les propriétés de la pâte ainsi obtenue sont évolutives dans le temps. Tant que cette hydratation n‟est pas trop avancée la pâte reste plus ou moins malléable, ce qui permet de lui faire épouser par moulage la forme désirée. Mais au bout d‟un certain temps, les cristaux d‟hydrayes prenant de plus en plus d‟importance, le mélange a changé de viscosité et se raidit, on dit qu‟il se fait priser.

fig 2.3: Détermination du temps de début de prise Le début de prise correspond au moment où l'on observe une augmentation de la viscosité , ou raidissement de la pâte, ce qui, dans la pratique, se mesure au moyen de l'aiguille normalisée (appareil de Vicat) et correspond au temps écoulé depuis le gâchage de la pâte jusqu'au moment où l'aiguille s‟arrête à une distance (d = 4 mm ±1 mm) du fond de l‟anneau de 40 mm de hauteur remplie de pâte pure de ciment. De même, la fin de prise correspond au moment où l'aiguille ne s'enfonce plus dans l‟anneau.

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fig 2.4: Détermination du temps de fin de prise Le phénomène de prise du ciment est lié à de nombreux paramètres tels:   

 

la nature du ciment, la finesse de mouture du ciment; plus son broyage a été poussé, plus le temps de prise est court, la température; alors qu'à zéro degré la prise est stoppée, plus la température ambiante est élevée plus la prise est rapide, pour un ciment donné le début de prise sera de 18 heures à 2 ºC, de 5 heures à 10 ºC, de 3h 30 à 20 ºC et de 30 min à 35 ºC (fig 2.5), la présence de matières organiques dans l'eau ou dans l'un des autres constituants du béton qui ralenti la prise, l'excès d'eau de gâchage qui a, entre autres inconvénients, une action retardatrice sur la prise (fig 2.7) En fonction de leur classe de résistance, les normes spécifient un temps de prise minimum qui est, à la température de 20 ºC, de: 1 h 30 pour les ciments de classes 35 et45. 1 h pour les ciments des classes 55 et HP. Il est à noter que pratiquement tous les ciments ont des temps de prise largement supérieurs à ces valeurs minimales, l'ordre de grandeur étant de 2 h 30 à 3 h pour la majorité des ciments.

fig 2.5: Evolution du temps de prise en fonction de la température

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fig 2.6: Influence de la température sur la prise des ciments

fig 2.7: Influence du E/C sur le temps de prise

2.5.2 Le durcissement C‟est la période qui suit la prise et pendant laquelle se poursuit l‟hydratation du ciment. Sa durée se prolonge pendant des mois au cours desquels les résistances mécaniques continuent à augmenter. Comme le phénomène de prise, le durcissement est sensible à la température, ce qui conduit notamment en préfabrication, à chauffer les pièces pour lesquelles on désire avoir des résistances élevées au bout de quelques heures. Prise et durcissement des constituants du clinker: Pour mieux comprendre les propriétés des ciments portland, il est intéressant d‟étudier comment réagit en présence d‟eau chacun des constituants anhydres du ciment pris isolément.

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Tableau 2.5: Le comportement et le dégagement de chaleur des constituants du clinker

Le graphique ci-dessous montre le développement des résistances dans le temps des constituants purs du ciment portland.

fig 2.8: Le développement des résistances dans le temps des constituants purs du CP. Dans une poudre de ciment portland en contact avec l‟eau, l‟aluminate tricalcique (C 3A) réagit en premier, se dissous et se recristallise. Vient ensuite la réaction d‟hydrolyse, de l‟alite-Silicate tricalcique (C3S) forme autour des grains une pellicule de gel et met en même temps des ions Ca2+ en solution. L‟hydrolyse et la recristallisation de (C 3A) sont rapides. Cette activité est si grande qu‟il faut la retarder car elle conduirait à des prises trop rapides et rendrait le liant inutilisable sur chantier. Evolution physico-chimique de la pâte de ciment: En gâchant le ciment avec l‟eau, on obtient une pâte dans laquelle l‟eau entoure chaque grain de ciment en formant un réseau capillaire. Les composés anhydres du ciment sont alors attaqués en surface par l‟eau pour produire des composés hydratés. Dans le cas des silicates de calcium C 3S et C2S, la chaux hydratée se dissout et il se dépose des cristaux de Ca(OH)2 en plaquettes hexagones alors que les silicates de calcium hydratés forment un gel composé de fines aiguilles à la surface du ciment. Ces aiguilles se développent en dimension et en nombre tout en réduisant les interstrices capillaires entre

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les grains. Quand les aiguilles entre les grains de ciment se rapprochent, la pâte devient plus raide. Cette rigidité est au début faible et peut encore être facilement détruite mécaniquement. C‟est le début de la prise. Après quelques heures, les interstrices capillaires sont partiellement comblées par le gel. La pâte de ciment acquiert une certaine résistance. C‟est le durcissement qui commence. La résistance continue à croître à mesure que le gel devient plus compact, d‟une part, parce qu‟il y a un accroissement de la cohésion entre les aiguilles et accroissement du feutrage des aiguilles, d‟autre part, parce qu‟il se formerait des joints de soudure entre les aiguilles de tobermolite des divers grains de ciment. Dans les pâtes de ciment durcies, il reste de ce fait toujours des grains de ciment non hydratés. L‟hydratation des grains de ciment continue non seulement des mois, mais des années durant, pour autant que le gel soit entouré d'eau, car le gel de tobermolite ne peut se former qu‟en présence d‟eau.

fig 2.9: L'évolution physico-chimique de la pâte de ciment Quelques réactions chimiques importantes:

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Les réactions d‟hydratation du ciment Portland sont très complexes. Nous ne considérons que les quelques-unes utiles à connaître pour mieux comprendre les propriétés des ciments portlands.

2.5.3 La finesse de mouture (finesse de Blaine) Elle est caractérisée par la surface spécifique des grains de ciment, exprimée en (cm 2/g). Dans les cas courants, elle est de l'ordre de 3000 à 3500 cm2/g. Plus la finesse de mouture est grande, plus la vitesse des réactions d'hydratation est élevée et plus ces résistances mécaniques à un âge jeune sont grandes, par contre plus le ciment est sensible à l'éventellement et plus le retrait est important. En outre, la finesse de mouture influence la plasticité et la cohésion de la pâte de ciment à l'état frais, ainsi que son pouvoir de rétention d'eau et la ressuée. La surface massique de ciment étudié n‟est pas mesurée directement, mais par comparaison avec un ciment de référence dont la surface massique est connue. Il s‟agit de faire passer un volume d‟air connu au travers d‟une poudre de ciment. Toutes choses étant égales par ailleurs, plus la surface massique de cette poudre est importante et plus le temps t mis par l‟air pour traverser la poudre est longue: Dans les conditions normalisées décrites, la surface est proportionnelle à

.

L'appareil utilisé pour déterminer la finesse de mouture de ciment est appelé «Perméabilimètre de Blaine». Cet appareil est schématisé sur fig 2.11. Il se compose pour l‟essentiel d‟une cellule dans laquelle est placé le ciment à tester et d‟un manomètre constitué d‟un tube en verre en forme de U rempli, jusqu‟à son repère inférieur (n° 4) d‟une huile légère. La cellule est équipée d‟une grille en sa partie inférieure. Un piston sert à tasser le ciment dans la cellule sous un volume V défini.

fig 2.10: Influence de la surface spécifique sur la résistance à la compression

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fig 2.11: Principe de fonctionnement de perméabilimètre de Blaine.

2.5.4 Le retrait La pâte de ciment se rétracte dans l'air sec (alors qu'au contraire elle gonfle dans l'eau), ce phénomène se poursuivant dans le temps et ceci pendant des durées d'autant plus longues que les pièces sont massives. C'est le retrait qui est cause des fissures que l'on observe dans des pièces en béton. En fait il existe plusieurs types de retrait: 



    

Le retrait avant prise dû essentiellement à la perte prématurée d'une partie de l'eau de gâchage par évaporation et dont l'amplitude est dix fois celle du retrait hydraulique classique. Ce retrait qui provoque des contraintes de traction supérieures à la résistance du béton à la traction, qui est alors pratiquement nulle, se traduit par l'apparition, à la surface du béton encore plastique, de grosses crevasses peu profondes, pouvant être refermées par talochage, le retrait hydraulique, qui découle d'une part de la contraction Le Chatelier (le volume des hydrates est inférieur au volume des constituants de départ) et d'autre part du retrait de dessiccation (contraction au séchage), est de l'ordre de 0,2 à 0,4 mm/m pour les bétons. Dans le cas de béton à faible rapport E/C, la dessiccation d'origine "endogène" (consommation de l'eau de gâchage pour hydratation) peut être prépondérante sur la dessiccation par échange avec le milieu externe, le retrait thermique, qui est dû à la contraction du béton lors de son refroidissement. L'importance du retrait hydraulique, en dehors du facteur de temps, est fonction de nombreux paramètres parmi lesquels: la nature du ciment le dosage en eau (fig 2.12) la propreté des sables la forme et la dimension des granulats

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fig 2.12: Influence du E/C sur le retrait plastique des mortier.

2.5.5 Chaleur d'hydratation Le phénomène de prise du ciment s'accompagne d'une réaction exothermique dont l'importance dépend de différents paramètres, en particulier:    

la finesse de mouture: plus le ciment est broyé fin, plus la chaleur d'hydratation est élevée la nature des constituants: les ciments CPA comportant presque exclusivement du clinker dégagent plus de chaleur que des ciments avec constituants secondaires la nature minéralogique du clinker: plus les teneurs en aluminate tricalcique (C3A) et silicate tricalcique (C3A et C3S) sont élevées, plus la chaleur d'hydratation est forte la température extérieure.

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fig 2.13: Chaleur dégagée lors de l'hydratation du CP

2.5.6 Stabilité de volume La réaction d'hydratation est accélérée par un traitement thermique de la pâte, de façon à pouvoir constater l‟expansion éventuelle du ciment dans un délai très court.

fig 2.13: Aiguilles de Le Châtelier Un essai permet de s'assurer que le ciment ne contient pas de substances susceptibles de provoquer une expansion dangereuse au cours du temps.

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On simule l'effet du temps en accélérant les processus de durcissement par une cuisson à 100 °C pendant 2 heures d'une pâte durcie de ciment à consistance normale âgée de 24 heures. Pour mesurer l'expansion, on utilise les aiguilles de Le Châtelier (fig 2.13). La différence d'ouverture des aiguilles avant et après cuisson doit rester inférieure à 10 mm. Ouverture d'aiguille causée par cuisson à 10 mm. L'essai d'étuvage a été supprimé pour les ciments Portland, car depuis de nombreuses années, il n'y a jamais eu de ciment Portland défectueux selon cet essai. On continue par contre à utiliser ce type d'essai pour contrôler la stabilité de volume des chaux hydrauliques. Aujourd'hui on contrôle la pureté et la stabilité des ciments portland par voie chimique tels:   

Perte au feu Insoluble Teneur en SO3, en MgO, en C3A etc..

2.5.7 Résistance à la compression Les résistances mécaniques des ciments sont déterminées par les essais sur mortier dit "normal", à 28 jours d'âges en traction et en compression des éprouvettes 4 x 4 x 16 cm. La résistance du mortier est alors considérée comme significative de la résistance du ciment. Elle dépend de la classe de ciment et est exprimée en Mpa. Le mortier utilisé est réalisé conformément à la norme EN 196-1. Le sable utilisé est un sable appelé "sable normaliser CEN EN 196-1". Pour chaque type de ciment, il existe effectivement plusieurs classes de résistances pour lesquelles les fabricants garantissent des valeurs minimales et maximales.

fig 2.14: Résistance du mortier normal

Expériences 1. Masse volumique absolue Page 35

Objectif de l’essai Il s‟agit de mesurer la masse volumique absolue du ciment anhydre qui varie en fonction de la composition du ciment, tout en restant comprise entre 3,0 et 3,2 g/cm3.

Principe de l’essai: (avec le pycnomètre ) On repère en comparant la masse (mc) d‟un volume connu de ciment (Vc) à la masse (mt) d‟un même volume d‟un liquide dont la masse volumique (ρt) est connue. La masse (ρc) s‟en déduit en écrivant:

Principe de la mesure: (avec le chantelier) – Voluménomètre. Il consiste à mesurer le déplacement du niveau de liquide contenu dans un récipient à col étroit, lorsqu‟on y introduit la poudre dont on cherche la masse volumique absolue. La méthode nécessite également une balance au décigramme, voluménomètre et un liquide inerte vis-à-vis de la poudre: ce sera par exemple du tetrachlorure de carbone, si la poudre est du ciment (ou bien on peut remplacer le tetrachlorure par le pétrole).

Équipement nécessaire     

Un voluménomètre d‟une contenance minimale de 50 cm3. Un récipient contenant de l‟eau à 20 ±1 °C. Un liquide qui ne doit pas être réactif avec le ciment, du toluène par exemple ( le tetrachlorure, le benzène, cancérigène, le pétrole, ne doit plus être utilisé). Une balance. La précision de la balance devra être adaptée à la masse de l'échantillon utilisé. Un thermomètre, précis à 0,1 °C, permettant de connaître la température du laboratoire.

Conduite de l’essai: (Mode opératoire). Remplir l‟appareil de tétrachlorure de carbone jusqu‟à ce que le niveau parvienne entre les divisions zéro et 1. Éviter de mouiller les parois lors du remplissage. Immerger le voluménomètre dans un récipient contenant de l‟eau à 20±1 °C. Pendant l‟équibrage de température, peser une masse de ciment de 64 g à 0,1 g près. Repérer exactement le niveau atteint N0. Verser le ciment très lentement (en ¼ d‟heure environ) dans l‟appareil en prenant garde à ne pas laisser de dépôt sur les parois. Déplacer le voluménomètre contenant le ciment, de récipient et le poser sur la table. Boucher le voluménomètre, l‟incliner à 45° par rapport à la table et le faire rouler avec un mouvement de va-et-vient de manière à faciliter de départ de l‟air. Replacer l‟appareil dans le bain et lire le niveau N 1 du liquide après équilibrage de température. La masse volumique absolue est donnée par le rapport:

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2. Mesure de la finesse Objectif de l’essai Les ciments se présentent sous forme de poudre finement divisée. Cette finesse est une caractéristique importante: lors du gâchage, plus la surface de ciment en contact avec l‟eau est grande et plus l‟hydratation est rapide et complète. La finesse d‟un ciment est généralement exprimée par sa surface massique: c‟est la surface totale des grains contenus dans une masse unité de poudre. La surface massique est généralement exprimée en cm 2 de surface des grains de ciment par gramme de poudre. L‟objectif de l‟essai est d‟apprécier cette surface.

Principe de l’essai L‟essai a pour but de calculer le débit d‟air susceptible de passer à travers la poudre. La surface massique du ciment étudié n‟est pas mesurée directement, mais par comparaison avec un ciment référence dont la surface massique est connue. Il s‟agit de faire passer un volume d‟air connu au travers d‟une poudre de ciment. Toutes choses étant égales par ailleurs, plus la surface massique de cette poudre est importante et plus le temps t mis par l‟air pour traverser la poudre est long. Dans les conditions normalisées décrites, la surface est proportionnelle à

Équipement nécessaire 

     

Un appareil appelé «Perméabilimètre de Blaine». Il se compose pour l‟essentiel d‟une cellule dans laquelle est placé le ciment à tester et d‟un manomètre constitué d‟un tube en verre en forme de U rempli, jusqu‟à son repère inférieur d‟une huile légère. La cellule est équipée d‟une grille en sa partie inférieure. Un piston sert à tasser le ciment dans la cellule sous un volume V défini. Une balance précise à 0,001 g. Un chronomètre précis à 0,2 s près. Du ciment de référence de surface massique (S0)et de masse volumique ( ρ0) connues. Des rondelles de papier filtre adaptées au diamètre de la cellule. Du mercure pour mesurer le volume V de la couche tassée. Un thermomètre précis à 0,1 °C près pour mesurer la température de l‟air.

Conduite de l’essai (Mode opératoire). Le liant hydraulique dont on désire mesurer la surface spécifique doit être à porosité constante (égale à 0,500). - Méthode : peser à 0,01 g près, une masse m de liant telle que, compte tenu de son volume V après tassement dans la cellule, sa porosité soit égale à 0,500. - La masse de matière à prendre s‟écrit: m = (1 - e) ρV ρ - masse volumique V – volume utile de la cellule.

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Placer la grille au fond dela cellule. Appliquer sur cette grille, au moyen d‟une tige à face inférieure plane et d‟une équerre, un disque neuf de papier filtre. Verser le liant dans la cellule en utilisant un entonnoir. Donner quelques légères secousses à la cellule pour niveler la couche supérieure du liant, puis placer sur celui-ci un autre disque neuf de papier filtre. Tasser avec précaution au moyen du piston en évitant la remontée de la poudre au-dessus du papier filtre jusqu‟à ce que le collier vienne buter contre le haut de la cellule. Retirer le piston lentement (Il est commode de pratiquer une légère rotation alternative). Vérifier le niveau du liquide du manomètre qui doit affleurer au trait inférieur. Enduire de vaseline la partie rondée de la cellule et la placer sur son ajutage en lui imprimant un léger mouvement de rotation pour répartir la vaseline; veiller au cours de cette opération à ne pas altérer le tassement de la couche. Aspirer lentement au moyen de la poire l‟air du tube jusqu‟à ce que le niveau du liquide atteigne le trait supérieur. Fermer le robinet. Mettre en marche un chronomètre sensible au cinquième de seconde quand le niveau de liquide atteint le deuxième trait. L‟arrêter quand le niveau de liquide atteint le troisième trait. Noter le temps écoulé t ainsi que la température de la pièce. Faire trois mesures et prendre la moyenne arithmétique des trois temps. La surface spécifique est calculé par la formule:

. S – Surface spécifique (cm2/g). . k – Constante del‟appareil. . e – Porosité de la couche tassée . t – Temps mesuré en secondes. . ρ Masse volumique (g/cm3). . η Viscosité de l‟air à la température d‟essai (en poises). Étalonnage de l’appareil: (a) Détermination du volume V de la couche tassée. Enduire la paroi intérieure de la cellule d‟une très mince pellicule d‟huile pour éviter l‟amalgame. Placer la grille au fond de la cellule, puis deux disques de papier filtre appliqués sur la grille. Remplir la cellule jusqu‟au bord avec du mercure, en chassant les bulles d‟air adhérant aux parois. Niveler la surface de mercure en appliquant une lamelle de verre sur le sommet de la cellule. Puis recueillir dans un récipient taré le mercure se trouvant dans la cellule, et peser à 0,01 g près – soit (m1) la masse en gramme du mercure utilisé.

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Préparer ensuite la cellule dans les conditions prévues pour l‟essai, avec une quantité de ciment portland telle que la couche obtenue soit suffisamment comprimée (2,8 à 3 g), (Il est nécessaire que la poudre soit plus compacte pour l‟étalonnage que pour les essais, afin d‟éviter son tassement par le mercure), et refaire avec du mercure les opérations décrites à l‟article précédent - soit ( m2) la masse, en gramme, du mercure utilisé. Le volume de la couche tassée est obtenu par la formule:

V – Volume del acouche tassée (cm3). m1 et m2 – Masse de mercure (g) ρ.Hg Masse volumique du mercure à la température d‟essai (g/cm3) ( voir en annexe, les valeurs ρ.Hg) Répeter la détermination de façon à obtenir deux valeurs différents de moins de 0,01 cm 3 et adopter leur moyenne. (b) Détermination de la constante k de l‟appareil. Avec une poudre étalon de surface spécifique et de masse volumique connues, opérer selon le processus décrit à l‟article précédent. Calculer k en appliquant la formule fondamentale:

La valeur adoptée sera la moyenne arithmétique résultant de trois prises d‟échantillons différentes.

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Fig.2.7.2: Principe de fonctionnement du permiabilimètre de Blaine

3. Mesure des temps de début et de prise Objectif de l’essai Il est nécessaire de connaître les début et fin de prise des pâtes de ciment ( des liants hydrauliques ) afin de pouvoir évaluer le temps disponible pour la mise en place correcte des mortiers et des bétons qui seront ensuite confectionnés. Les essais se font à l‟aide de l‟aiguille de Vicat qui donne deux repères pratiques: Le début de prise et la fin de prise.

Principe de essai L‟essai consiste à suivre l‟évolution de la consistance d‟une pâte de consistance normalisée; l‟appareil utilisé est appareil de VICAT équipé d‟une aiguille de 1,13 mm de diamètre. Quand sous l‟effet d‟une charge de 300 g l‟aiguille s‟arrête à une distance d du fond du moule telle que d= 4mm ± 1 mm on dit que le début de prise est atteint. Ce moment, mesuré à partir du début du malaxage, est appelé « TEMPS DE DEBUT DE PRISE ». Le « TEMPS DE FIN DE PRISE» est celui au bout duquel l‟aiguille ne s‟enfonce plus que de 0,5 mm.

Equipement nécessaire

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- Salle climatisée: L‟essai doit se déroule dans une salle, dont la température est de 20° C± 1° C et dont l‟humidité relative est supérieure à 90%. A défaut d‟une telle humidité relative, l‟échantillon testé pourra, entre deux mesures, être entreposé dans de l‟eau maintenue à 20° C± 1° C. - Malaxeur normalisé: avec une cuve de 5 litres de contenance et d‟une pale de malaxage pouvant tourner à 2 vitesses ( dites lente 140 tr/mn et rapide 285 tr/mn ). - Appareil de VICAT ( du nom de l‟ingénieur français ). L‟appareil est composé d‟un moule tronconique de 40 mm de hauteur et d‟une tige coulissante équipée à son extrémité d‟une aiguille de 1,13 mm de diamètre. - Balance précise à 0,1 g près. - Chronomètre précise à 0,1 s près.

Conduite de essai Le mode opératoire de l‟essai est fixé par la norme EN 196-3. Il s‟agit de confectionner une pâte de consistance normalisée: On préparera 2 Kg de ciment, une pâte pure de rapport E/C=0,26. Ceci permettra de préparer 5 moules. Pour accélérer les phénomènes, on dissolvera dans l‟eau de gâchée du chlorure de calcium (CaCl 2) en prenant comme poids de CaCl2, 2% du poids d‟eau calculé pour la gâchée. On versera l‟eau avec l‟accélérateur de prise dissous dans la cuve du malaxeur, contenant le ciment, on déclenchera les deux chronomètres, ( un pour la gâchée, un autre pour base du temps, pour la manipulation ).

La pâte est alors rapidement introduite dans le moule tronconique posé sur une plaque de verre, sans tassement ni vibration excessifs. Il faut enlever l‟excès de pâte par une mouvement de va-et-vient effectué avec une truelle maintenue perpendiculairement à la surface supérieure du moule. Puis l‟ensemble est placé sur la platine de l‟appareil de vicat. Quatre minutes après le début du malaxage, l‟aiguille est amenée à la surface de l‟échantillon et relâchée sans élan ( sans vitesse ). L‟aiguille alors s‟enfonce dans la pâte. Lorsqu‟elle est immobilisée ( ou après 30 s d‟attente ), relever la distance d séparant l‟extrémité de l‟aiguille de la plaque de base. Recommencer l‟opération à des intervalles de temps convenablement espacés ( ~ 10-15 mn ) jusqu‟à ce que d= 4mm ± 1mm. Cet instant mesuré à 5 mn près est le temps de début de prise pour le ciment concerné ( étudié )

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4. Mesure la consistance de la pâte Objectif de l’essai La consistance de la pâte caractérise sa plus ou moins grande fluidité. Il y a deux types d‟essai, qui permettent d‟apprécier cette consistance. 1. L‟essai de consistance éffectué avec l‟appareil de Vicat conformément à la norme 196-3. 2. L‟essai d‟écoulement au cône, conformément à la norme NF P-18-358.

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La consistance de la pâte de ciment est une caractéristique, qui évolue au cours de temps. Pour pouvoir étudier l‟évolution de la consistance en fonction des différents paramètres, il faut pouvoir partir d‟une consistance qui soit la même pour toutes les pâtes étudiées. L‟objectif de cet essai est de définir une telle consistance dite « CONSISTANCE NORMALISEE ».

Principe de essai La consistance est évaluée ici en mesurant l‟enfoncement dans la pâte, d‟une tige cylindrique sous l‟effet d‟une charge constante. L‟enfoncement est d‟autant plus important que la consistance est plus fluide. La consistance évaluée de cette manière sera appelée « CONSISTANCE VICAT».

Equipement nécessaire - Un malaxeur avec une cuve de 5 litres de contenance et d‟une pale de malaxage pouvant tourner à 2 vitesses ( dites lente 140 tr/mn et rapide 285 tr/mn ) . - Un appareil de VICAT. L‟appareil est composé d‟un moule tronconique de 40 mm de hauteur et d‟une tige coulissante équipée à son extrémité d‟une sonde 10 mm de diamètre. La partie coulissante a une masse totale de 700 g ( y compris la sonde amovible ). - Une balance permettant de peser à 1 g près. - Une Chronomètre précis à 1 s près.

Conduite de l'essai 500 g de ciment sont pesés et introduits dans la cuve du malaxeur. La quantité d‟eau choisie est ajoutée au ciment en un temps compris entre 5 et 10 secondes. Mettre immédiatement le malaxeur en route à la vitesse lente pendant 90 s. Arrêter la machine pendant 15 s et ramener, dans la gâchée avec une petite truelle, la pâte adhérant à la cuve et se trouvant au délà de la zone de malaxage. Remettre la machine en route pour une durée de 90s à vitesse lente.

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La pâte est alors rapidement introduite dans le moule tronconique posé sur une plaque de verre, sans tassement ni vibration excessifs; Il faut enlever l‟excès de pâte par une mouvement de va-et-vient effectué avec une truelle maintenue perpendiculairement à la surface supérieure du moule. Puis l‟ensemble est placé sur la platine de l‟appareil de vicat. Quatre minutes après le début du malaxage, la sonde est amenée à la surface supérieure de l‟échantillon (moule tronconique ) et relâchée sans élan . La sonde alors s‟enfonce dans la pâte. Lorsqu‟elle est immobilisée ( ou après 30 s d‟attente ), on mesure la distance d séparant l‟extrémité de la sonde et de la plaque de base. Cette distance ( d ) caractérise la consistance de la pâte étudiée.  

Si ( d ) = 6mm ± 1mm, on dit que la consistance de la pâte étudiée est normalisée. ( Consistance normalisée ). Si ( d ) n‟atteint pas cette valeur ( c.a.d. d >7 mm ou d < 5mm ), il convient de refaire l‟essai avec une valeur différente du rapport E/C jusqu‟à atteindre la valeur recherchée de la consistance.

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5. DÉTERMINATION DE LA STABILITÉ (EN 196-3) Objectif de l’essai Il s‟agit d‟apprécier l‟augmentation de volume que seraient susceptible de provoquer, au cours de la réaction d‟hydratation, les oxydes de calcium ou de magnésium contenus dans le ciment.

Principe de l’essai La réaction d‟hydratation est accélérée par un traitement thermique de la pâte, de façon à pouvoir constater l‟expansion éventuelle du ciment dans un délai très court.

Équipement nécessaire - Un malaxeur normalisé. - Deux moules en laiton élastique, appelés «appareil le Chatelier». Ces moules sont fendus de façon à pouvoir s‟ouvrir en cas d‟augmentation de volume de la pâte. - Un bain d‟eau muni d‟un moyen de chauffage, dans lequel il est possible d‟immerger les éprouvettes et de porter la température de l‟eau de 20°C ± 2°C jusqu‟à ébullition en 30 min ± 5 min. - Une salle ou une armoire humide maintenue à une température de 20°C ± 1°C et à au moins 98% d‟humidité relative.

Fig.: Essai de stabilité avec l’appareil le chantelier

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Conduite de l'essai Le mode opératoire est décrit par la norme EN 196-3. Il faut confectionner une pâte de consistance normalisée, qui sera introduite dans deux moules. Après remplissage les moules sont conservés 24 h dans la salle ou l‟armoire humide. Au bout de ce temps il convient de mesurer à 0,5 mm près l‟écartement A entre les pointes des aiguilles. Le moule est alors entreposé dans le bain d‟eau à 20°C qui doit être porté à ébullition pendant 3 h ± 5 min. Soit B l‟écartement entre les points des aiguilles au bout de ce temps. Soit C l‟écartement lorsque le moule, après refroidissement, est revenu à la température de 20 °C. La stabilitée est caractérisée par la valeur C-A exprimée en mm à 0,5 mm près: Stabilité = C-A

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Présentation du chapitre 3 Ce chapitre traite du granulat qui est un composant important intervenant dans la fabrication du béton. Après avoir défini les granulats, nous parlerons de l'analyse granulométrique qui apportera des renseignements essentiels sur les composants pour obtenir un béton résistant, étanche et durable. Dans la section 3.3, nous présenterons une classification des granulats en fonction du diamètre des grains. La section 3.4 abordera les caractéristiques physiques et mécaniques des granulats. Enfin, dans la section 3.5, différents types de granulats seront présentés parmi les granulats naturels et artificiels. Les Expériences décriront comment effectuer une analyse granulométrique en laboratoire ainsi que différents essais pour mesurer les caractéristiques physiques et mécaniques des granulats. Pour clore le chapitre, des questions vous permettront de tester vos connaissances sur les granulats.

Sommaire du chapitre 3 3.1 Introduction 3.2 Classification 3.3 Granulats naturels et artificiels. 3.4 Propriétés et formes. 3.5 Granulométrie. Expériences

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3.1.Introduction Définition On donnera le nom de granulats à un ensemble de grains inertes destinés à être agglomérés par un liant et à former un agrégat.

Le terme agrégats, utilisé pour désigner les granulats, est donc impropre. En effet, un agrégat est un assemblage hétérogène de substances ou éléments qui adhérent solidement entre eux (le mortier ou le béton par exemple). Le terme granulat, au singulier, désigne un ensemble de grains d'un même type, quel que soit le critère de classification utilisé. Le terme granulats, au pluriel, sera utilisé pour désigner un mélange de grains de divers types. Les granulats utilisés dans les travaux de génie civil doivent répondre à des impératifs de qualité et des caractéristiques propres à chaque usage. Les granulats constituent le squelette du béton et ils représentent, dans les cas usuels, environ 80 % du poids total du béton. Les granulats sont nécessaires pour la fabrication des bétons; du point de vue économique, car ils permettent de diminuer la quantité de liant qui est plus cher; du point de vue technique, car ils augmentent la stabilité dimensionnelle (retrait, fluage) et ils sont plus résistants que la pâte de ciment. Il faut par conséquent, augmenter au maximum la quantité de granulats, en respectant toutefois les deux conditions suivantes:  

Les granulats doivent satisfaire à certaines exigences de qualité; La qualité de pâte liante doit être suffisante pour lier tous les grains et remplir les vides. Les essais effectués en laboratoire portent nécessairement sur des quantités réduites de matériaux, ceux-ci devant permettre de mesurer des paramètres caractéristiques de l'ensemble du matériau dans lequel on a fait le prélèvement. Il faut que l'échantillon utilisé au laboratoire soit représentatif de l'ensemble. Cette opération est généralement difficile, prend du temps et, parfois, est coûteuse, mais elle est essentielle; souvent, les essais effectués sont sans valeur car ils ne sont pas représentatifs. En général le prélèvement d'échantillons se fait en deux temps: a) Prélèvement sur le chantier, la carrière ou l'usine d'une quantité de matériaux nettement plus grande que celle qui sera utilisée pour l'essai. b) Au laboratoire, prélèvement de la quantité nécessaire à l'essai et qui soit également représentative de l'échantillon de départ. Lorsqu'il n'est pas possible de prendre tout le tas et de le réduire, on procède à un prélèvement local. Prélèvement sur tas normaux a) à la main, à l'aide d'une planche ou d'une plaque métallique. b) à la main, sur tas d'éléments grossiers (gravier concassé) par ratissage dans un récipient. c) au moyen d'une sonde, ouverture 4 ~ 6 cm, longueur 60 ~ 100 cm, extrémité taillée en sifflet. Page 48

Prélèvement en laboratoire (échantillonnage en laboratoire) Le passage de l'échantillon total prélevé sur le tas à l'échantillon réduit, nécessaire à l'essai, peut se faire par quartage ou à l'aide d'un échantillonneur. L'échantillon doit être séché à l'étuve à 105 ºC s'il est exempt de minéraux argileux, ce qui est rare, ou à 60 ºC dans le cas contraire. Quartage

Fig. 3.2: Opération de quartage Echantillonneur Cet appareil de laboratoire fig 3.3, permet de diviser facilement en deux parties représentatives la totalité d'un échantillon initial, chaque moitié étant recueillie dans un bac de manière séparée. La répétition en cascade de cette opération, en retenant à chaque opération le contenu de l'un des bacs, permet d'obtenir l'échantillon nécessaire, après trois ou quatre opérations identiques.

Le procédé peut être résumé par la (fig. 3.4) ci-dessous. Celle-ci permet de sélectionner une masse (m) à partir d'un prélèvement de masse 3m.

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Fig. 3.4: Schéma d'une opération de répartition des matériaux en utilisant de l'échantillonneur

3.2.Courbes granulométriques Importance de la composition granulométrique Les propriétés physiques et mécaniques du béton dépendent de beaucoup de facteurs. Généralement on souhaite obtenir un béton résistant, étanche et durable. Pour atteindre ce but, il faut:      

que le béton à l'état frais soit facile à mettre en oeuvre et à compacter (pour réduire la porosité). un maximum de granulats par unité de volume de béton (pour réduire la quantité de pâte liante nécessaire pour remplir les vides, tous les vides devant être remplis de pâte liante). un minimum de surface spécifique (pour réduire la quantité d'eau de gâchage et obtenir un rapport C/E plus élevé). Par ailleurs: il faut choisir Dmax aussi grand que le permet la dimension minimum de la pièce à bétonner et l'encombrement des granulats. la proportion de chaque dimension des grains doit être choisie de façon à remplir les vides laissés par les grains de dimensions supérieures. il faut réduire la teneur en éléments fins au minimum requis pour obtenir une bonne maniabilité et une bonne compacité. Les courbes granulométriques apporteront quelques éléments de réponses à ces conditions. La condition essentielle pour obtenir le moins de vides possibles (meilleure compacité) dans un mélange de sable et gravillon est de: 35 % de sable de 0/5 et 65 % de gravillons 5/20.

Fig. 3.5: Compacité d'un mélange de grains fins et de grains grossiers Les courbes granulométriques des différents granulats peuvent être déterminées par l'essai de l'analyse granulométrique (NF P 18-560). L'essai consiste à classer les différents grains constituant l'échantillon en utilisant une série de tamis, emboîtés les uns sur les Page 50

autres, dont les dimensions des ouvertures sont décroissantes du haut vers le bas. Le matériau étudié est placé en partie supérieure des tamis et le classement des grains s'obtient par vibration de la colonne de tamis. On considère que le tamisage est terminé lorsque le refus ne varient pas de plus de 1 % entre deux séquences de vibration de la tamiseuse. On trace la courbe granulométrique sur un graphique comportant en ordonnée le pourcentage des tamisats sous les tamis dont les mailles D sont indiquées en abscisse selon une graduation logarithmique. Par exemple pour le tracé de la courbe granulométrique d'un sable 0/5, on pèse une certaine quantité (après séchage) soit 2 kg par exemple. Le poids des tamisats successifs permet de déterminer les pourcentages du tamisats (tableau 3.1) correspondant à chacun des tamis utilisés. Tableau 3.1: Résultats d'une analyse granulométrique correspondant à un sable (fig. 3.5)

La courbe correspondant à ce sable normal, est présentée sur la fig. 3.6, sur lequel ont été également portées les courbes des sables très fins et grossiers ainsi que celles de graviers. La forme des courbes granulométriques apporte les renseignements suivants:  



Les limites d et D du granulat en question; La plus ou moins grande proportion d'éléments fins; par exemple la courbe située au-dessus de celle du sable normal correspond à un sable à majorité de grains fins et c'est l'inverse pour celle située en dessous. En effet, ces trois sables sont des sables 0/5 mm mais les proportions de grains fins (<0,5 mm par exemple ) sont pour chacun d'eux: 25%, 45% et 60%; La continuité ou la discontinuité de la granularité; par exemple, les courbes de sables sont continues mais la courbe du gravier 5/31,5 présente une discontinuité; en effet le palier s'étendant de 10 à 20 mm signifie que le granulat en question ne contient pas de grains compris entre 10 et 20 mm.

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Module de finesse Les sables doivent présenter une granulométrie telle que les éléments fins ne soient ni en excès, ni en trop faible proportion. Si il y a trop de grains fins, il sera nécessaire d'augmenter le dosage en eau du béton tandis que si le sable est trop gros, la plasticité du mélange sera insuffisante et rendra la mise en place difficile. Le caractère plus ou moins fin d'un sable peut être quantifié par le calcul du module de finesse (MF). Celui-ci correspond à la somme de pourcentages des refus cumulés, ramenés à l'unité, pour les tamis de modules 23, 26, 29, 32, 35, 38. Ce paramètre est en particulier utilisé pour caractériser la finesse des sables à bétons. Dans le cas de la courbe granulométrique du sable normal présenté sur la fig. 3.6, son module de finesse est égal à: MF = (98 + 90 + 75 + 53 + 28 + 10)/100 = 3,54 Les dimensions nominales normalisées des tamis, seuls appareils utilisés actuellement, sont les suivantes:

3.3. Classification des granulats

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On trie les granulats par dimension au moyen de tamis (mailles carrées) et de passoires (trous circulaires) et on désigne une classe de granulats par un ou deux chiffres. Si un seul chiffre est donné, c'est celui du diamètre maximum D exprimé en mm; si l'on donne deux chiffres, le premier désigne le diamètre minimum d, des grains et le deuxième le diamètre maximum D. Un granulat est caractérisé du point de vue granulaire par sa classe d/D. Lorsque d est inférieur à 2 mm, le granulat est désigné 0/D. Il existe cinq classes granulaires principales caractérisées par les dimensions extrêmes d et D des granulats rencontrées (Norme NFP18-101):     

Les fines 0/D avec D ≤ 0,08 mm, Les sables 0/D avec D ≤ 6,3 mm, Les gravillons d/D avec d ≥ 2 mm et D ≤ 31,5 mm, Les cailloux d/D avec d ≥ 20 mm et D ≤ 80 mm, Les graves d/D avec d ≥ 6,3 mm et D ≤ 80 mm, Il peut être utile dans certains cas d'écrire la classification suivante:

3.4. Les caractéristiques principales des granulats 3.4.1 Caractéristiques physiques (a) La masse volumique absolue La masse volumique absolue d'un matériau est la masse d'un mètre cube de ce matériau, déduction faite de tous les vides, aussi bien des vides entre les grains que des vides à l'intérieur des grains.

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Volume hachuré = Volume absolu (sans pores) La densité absolue est le rapport de la masse absolue d'une unité de volume du matériau à température donnée à la masse du même volume d'eau distillée à la même température.

(b) La masse volumique réelle La masse volumique réelle d'un matériau est la masse d'un mètre cube de ce matériau déduction faite des vides entre particules. La déduction ne concerne pas les vides compris dans le matériau mais seulement ceux entre les particules.

Volume hachuré = Volume réelle (apparent) La densité réelle est le rapport de la masse réelle d'une unité de volume du matériau sec dans l'air à température donnée à la masse d'un égal volume d'eau distillée à la même température.

(c) La masse volumique apparente La masse volumique apparente d'un matériau est la masse volumique d'un mètre cube du matériau pris en tas, comprenant à la fois des vides perméables et imperméables de la particule ainsi que les vides entre particules. La masse volumique apparente d'un matériau pourra avoir une valeur différente suivant qu'elle sera déterminée à partir d'un matériau compacté ou non compacté. Il faut donc préciser: masse volumique apparente à l'état compacté ou masse volumique apparente à l'état non compacté.

Volume hachuré = Volume du récipient La densité apparente à l'état compacté ou non compacté sera obtenue en établissant le rapport de la masse apparente d'une unité de volume du matériau à température donnée à la masse d'une même quantité d'eau distillée à même température. La masse volumique apparente d'un granulat dépend de la forme et de la granulométrie des grains ainsi que le degré de compactage et d'humidité. La valeur apparente est utilisée dans le cas ou l'on effectue les dosages en volume des différentes

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composantes du béton. Cette méthode toutefois présente des risques certains à cause du foisonnement. Le graphique cidessous donne le foisonnement du sable en fonction de la teneur en eau.

fig. 3.7: foisonnement du sable en fonction de la teneur en eau

(d) Absorption La plupart des granulats stockés dans une atmosphère sèche pendant un certain temps, peuvent par la suite absorber de l'eau. Le processus par lequel le liquide pénètre dans la roche et l'augmentation de poids qui en résulte sont appelés absorption. L'absorption peut varier dans de très larges mesures suivant la nature du granulat. Elle peut varier de 0 à plus de 30 % du poids sec pour granulat léger. En général, les granulats naturels utilisés pour la confection du béton sont peu poreux et n'absorbent pratiquement pas d'eau lorsqu'ils sont gâchés avec le ciment et l'eau. Par contre, des granulats artificiels, tels le LECA (Light expanded clay aggregate = agrégats légers expansés d'argile), sont poreux. Il faut alors tenir compte de l'absorption de l'eau par les granulats lorsque l'on détermine la quantité d'eau requise pour fabriquer le béton. La figure suivante montre les divers cas qui peuvent se présenter lorsqu'un granulat est poreux et qu'il est ou a été en contact avec de l'eau. Lorsque les granulats sont légèrement poreux, il faut travailler, lors de l'étude de la composition d'un béton, avec des matériaux saturés à surface sèche. On obtient cet état en conservant les granulats dans l'eau pendant plusieurs heures et en les laissant sécher juste avant emploi jusqu'à ce que leur surface devienne roulant dans un linge sec.

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Tableau 3.3: La teneur en eau des grsnulats stocké à l'atmosphère

(e) Porosité et compacité (1) Porosité En général la porosité est la rapport du volume des vides au volume.

Volume quelconque On peut aussi définir la porosité comme le volume de vide par unité de volume apparent.

(2) Compacité La compacité est le rapport du volume des pleins au volume total. Ou volume des pleins par unité de volume apparent.

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Volume unitaire

La porosité et la compacité sont liées par la relation: p+c=1

La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux est alors égale à 100%. En effet:

Si l'on connaît la masse volumique D et la masse spécifique g d'un matériau, il est aisé de calculer sa compacité et porosité.

(f) Teneur en eau La teneur en eau d'un matériau est le rapport du poids d'eau contenu dans ce matériau au poids du même matériau sec. On peut aussi définir la teneur en eau comme le poids d'eau W contenu par unité de poids de matériau sec.

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A partir des définitions données plus haut, on peut écrire les relations :

Les granulats utilisés pour la confection du béton contiennent généralement une certaine quantité d'eau variable selon les condition météorologique. L'eau de gâchage réellement utilisée est par conséquent égale à la quantité d'eau théorique moins l'eau contenue dans les granulats. Il faut par conséquent disposer de moyens pour mesurer combien il y a d'eau dans les granulats. Actions possibles de l'eau sur les matériaux Lorsque tous les vides d'un corps sont remplis d'eau, on dit qu'il est saturé. Le degré de saturation est le rapport du volume des vides rempli d'eau au volume total des vides. Il joue un grand rôle dans les phénomènes de destruction des matériaux poreux par le gel. En se transformant en gel, l'eau augmente de 9% en volume environ. La plupart des matériaux gonflent lorsque leur teneur en eau augmente et, inversément lorsqu'elle diminue (bois, roches sédimentaires, bétons, par exemple).

(g) Propreté et forme des granulats Propreté des granulats Les granulats employés pour le béton doivent être propres, car les impuretés perturbent l'hydratation du ciment et entraînent des adhérences entre les granulats et la pâte. La propreté désigne: d'une part, la teneur en fines argileuses ou autres particules adhérentes à la surface des grains, ce qui se vérifie sur le chantier par les traces qu'elles laissent lorsqu'on frotte les granulats entre les mains. d'autre part, les impuretés susceptibles de nuire à la qualité du béton, parmi lesquelles on peut citer les scories, le charbon, les particules de bois, les feuilles mortes, les fragments de racine.

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fig. 3.8: Détermination de l'équivalent de sable piston Dans le cas des sables, le degré de propreté est fourni par essai appelé "équivalent de sable piston PS" (norme P 18-597) qui consiste à séparer le sable des particules très fines qui remontent par floculation à la partie supérieure de l'éprouvette où l'on a effectué le lavage. L'essai est fait uniquement sur la fraction de sable 0/2 mm. La valeur de PS doit selon les cas être supérieure à 60 ou 65. L'essai dit "équivalent de sable piston" permet de mesurer le degré de propreté du sable

Tableau 3.4: Valeurs préconisées pour l'équivalent de sable par DREUX

Forme des granulats La forme d'un granulat est défini par trois grandeurs géométriques:   

La longueur L, distance maximale de deux plans parallèles tangents aux extrémités du granulat, L'épaisseur E, distance minimale de deux plans parallèles tangents au granulat, La grosseur G, dimension de la maille carrée minimale du tamis qui laisse passer le granulat. Le coéfficient d'aplatissement A d'un ensemble de granulats est le pourcentage pondéral des éléments qui vérifient la

relation: Page 59

fig 3.9: Forme d'un granulat Dans les mêmes conditions L ≤ G ≤ E, on peut déterminer aussi:

La forme des granulats influence:  

La facilité de mise en oeuvre et le compactage du béton. La compacité du mélange, donc le volume des vides à remplir par la pâte de ciment. L'état de surface des grains influence:

 

La compacité du mélange. L'adhérence du granulat à la pâte de ciment. La forme est d'autant meilleure qu'elle est proche d'une sphère ou d'un cube: Tableau 3.5: Forme des granulats

3.4.2 Caractéristiques mécaniques Méthodes de mesures Les caractéristiques mécaniques des granulats ne sont pas déterminées par des essais habituels de traction ou de compression. Par contre, il existe des essais tentant de reproduire certaines sollicitations propres à des usages spécifiques des granulats, par exemple le degré d'usure pour les granulats utilisés pour les bétons routiers. Essai Micro Deval C'est un essai dont le principe est de reproduire, dans un cylindre en rotation, des phénomènes d'usure. Les modalités de cet essai font l'objet de la norme NF P 18-572 Essai Micro Deval

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Le principe de cet essai est la détermination de la résistance à la fragmentation par chocs et à l'usure par frottements réciproques. Il fait l'objet de la norme NF P 18-573. Le coefficient Los Angeles calculé à partir du passage au tamis de 1,6 mm, mesuré en fin d'essai, caractérise le granulat. Pour les granulats susceptibles d'être soumis aux effets du gel, on peut mesurer le coefficient Los Angeles après une série de 25 cycles gel/dégel (-25 ºC, +25 ºC) et le comparer au coefficient de référence. Les granulats sont classées en 6 catégories allant de A à F, chacune d'elle devant les conditions suivantes: Tableau 3.6: Catégories des granulats selon la résistance au chocs et à l'usure

3.5. Différents types de granulats Les granulats utilisés pour le béton sont soit d'origine naturelle, soit artificiels.

3.5.1. Les granulats naturels Origine minéralogique Parmi les granulats naturels, les plus utilisés pour le béton proviennent de roches sédimentaires siliceuses ou calcaires, de roches métamorphiques telles que les quartz et quartzites, ou de roches éruptives telles que les basaltes, les granites, les porphyres.

Granulats roulés et granulats de carrières Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe les granulats en deux catégories: 1. Les granulats alluvionnaires, dits roulés, dont la forme a été acquise par l'érosion. Ces granulats sont lavés pour éliminer les particules argileuses, nuisibles à la résistance du béton et cribléton et criblés pour obtenir différentes classes de dimension. Bien qu'on puisse trouver différentes roches selon la région d'origine, les granulats utilisés pour le béton sont le plus souvent siliceux, calcaires ou silico-calcaires. 2. Les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donnent des formes angulaires Une phase de précriblage est indispensable à l'obtention de granulats propres. Différentes phases de concassage aboutissent à l'obtention des classes granulaires souhaitées. Les granulats concassés présentent des caractéristiques qui dépendent d'un grand nombre de paramètres: origine de la roche, régularité du banc, degré de concassage … . La sélection de ce type de granulats devra donc être faite avec soin et après accord sur un échantillon.

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3.5.2. Les granulats artificiels Sous-produits industriels, concassés ou non Les plus employés sont le laitier cristallisé concassé et le laitier granulé de haut fourneau obtenus par refroidissement à l'eau. La masse volumique apparente est supérieure à 1 250 kg/m3 pour le laitier cristalisé concassé, 800 kg/m3 pour le granulé. Ces granulats sont utilisés notamment dans les bétons routiers. Les différentes caractéristiques des granulats de laitier et leurs spécifications font l'objet des normes NF P 18-302 et 18-306.

Granulats à hautes caractéristiques élaborés industriellement Il s'agit de granulats élaborés spécialement pour répondre à certains emplois, notamment granulats très durs pour renforcer la résistance à l'usure de dallages industriels (granulats ferreux, carborundum…) ou granulats réfractaires.

Granulats allégés par expansion ou frittage Ces granulats, très utilisés dans de nombreux pays comme l'URSS ou les Etats- Unis, n'ont pas eu en France le même développement, bien qu'ils aient des caractéristiques de résistance, d'isolation et de poids très intéressantes. Les plus usuels sont l'argile ou le schiste expansé (norme NF P 18-309) et le laitier expansé (NF P 18-307). D'une masse volumique variable entre 400 et 800 kg/m3 selon le type et la granularité, ils permettent de réaliser aussi bien des bétons de structure que des bétons présentant une bonne isolation thermique. Les grains de poids intéressants puisque les bétons réalisés ont une masse volumique comprise entre 1200 et 2000 kg/m3.

Les granulats très légers Ils sont d'origine aussi bien végétale et organique que minérale (bois, polystyrène expansé). Très légers - 20 à 100 kg/m3 - ils permettent de réaliser des bétons de masse volumique comprise entre 300 et 600 kg/m3. On voit donc leur intérêt pour les bétons d'isolation, mais également pour la réalisation d'éléments légers: blocs coffrants, blocs de remplissage, dalles, ou rechargements sur planchers peu résistants.

Expériences 1. Analyse granulométrique par voie sèche (sur le sable) But de l'essai L'analyse granulométrique permet de déterminer la grosseur et les pourcentages pondéraux respectifs des différentes familles de grains constituant les échantillons. Elle s'applique à tous les granulats de dimension nominale inférieure ou égale à 63 mm, à l'exclusion des fillers. A noter qu'il faut éviter la confusion entre la granulométrie qui s'intéresse à la détermination de la dimension des grains et la granularité qui concerne la distribution dimensionnelle des grains d'un granulat.

Principe de l'essai

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L'essai consiste à classer les différents grains constituants l'échantillon en utilisant une série de tamis, emboîtés les un sur les autres, dont les dimensions des ouvertures sont décroissantes du haut vers le bas. Le matériau étudié est placé en partie supérieure des tamis et les classements des grains s'obtiennent par vibration de la colonne de tamis.

Matériel nécessaire Des tamis ( fig.3.1.1 ) dont les ouvertures carrées, de dimension normalisée, sont réalisées soit à partir d'un maillage métallique, soit par perçage d'une tôle. Les passoires, qui comportent des trous ronds percés dans une tôle, ne sont plus utilisées actuellement. Pour un travail d'essai aux résultats reproductibles, il est conseillé d'utiliser une machine à tamiser électrique qui comprime un mouvement vibratoire horizontal, ainsi que des secousses verticales, à la colonne de tamis. La dimension nominale de tamis est donnée par l'ouverture de la maille, c'est-à-dire par la grandeur de l'ouverture carrée. Ces dimensions sont telles qu'elles se suivent dans une progression géométrique de raison

, depuis le tamis 0.08 mm

jusqu'au tamis 80 mm. Pour des ouvertures inférieures à 0.08 mm, l'analyse granulométrique n'est pas adaptée et l'on peut procéder par sédimentométrie. L'existence antérieure de passoires (trous ronds) a conduit à une double classification de tamis et des passoires, tout en conservant pour chaque famille d'appareil la même progression géométrique des ouvertures.

Fig. 3.1.1: Tamiseuse électrique Afin d'éviter toute ambiguïté, un tamis et une passoire équivalents ont été désignés par un même numéro de module. Les dimensions nominales normalisées des tamis, seuls appareils utilisés actuellement, sont les suivantes : Tableau 3.1.1 : Dimensions nominales des tamis.

Conduite de l'essai

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Cet essai peut s'appliquer pour des granulats non souillés par une fraction argileuse significative. Il est alors impératif de prendre toutes les précautions nécessaires pour que les éléments fins, présents dans l'échantillon, ne soit pas perdus. Pour les échantillons pollués par une fraction argileuse, il est nécessaire de procéder par voie humide. L'échantillon ainsi préparé est alors séché à ( 110 ± 5 )°C. Après refroidissement il est pesé jusqu'à masse constante ( masse M 2 ). Le tamisage à sec peut alors être réalisé.

Dimension de tamis utilisés Pour les sables, on utilisera en général les tamis de modules 20, 23, 26, 39, 32, 35, 38. Pour les matériaux plus grossiers, tous les tamis au-delà du module 38 seront utilisés.

Préparation de l'échantillon La quantité à utiliser doit répondre à différents impératifs qui sont contradictoires: - Il faut une quantité assez grande pour que l'échantillon soit représentatif. - Il faut une quantité assez faible pour que la durée de l'essai soit acceptable et que les tamis ne soient pas saturés et donc inopérants. Dans la pratique, la masse à utiliser sera telle que : M = 0,2 D avec M, masse de l'échantillon en Kg et D diamètre du plus gros granulat exprimé en mm

Description de l'essai Le matériau sera séché à l'étuve à une température maximale de 105 °C. On emboite les tamis les uns sur les autres, dans un ordre tel que la progression des ouvertures soit croissante du bas de la colonne vers le haut. En partie inférieure, on dispose un fond étanche qui permettra de récupérer les fillers pour une analyse complémentaire. Un couvercle sera disposé en haut de la colonne afin d'interdire toute perte de matériau pendant le tamisage. On appellera tamisat le poids du matériau passant à travers un tamis donné et refus le poids de matériau retenu par ce même tamis. Le matériau étudié est versé en haut de la colonne de tamis et celle-ci entre en vibration à l'aide de la tamiseuse électrique. Le temps de tamisage varie avec le type de machine utilisé, mais dépend également de la charge de matériau présente sur le tamis et son ouverture. Un étalonnage de la machine est donc nécessaire. On considère que le tamisage est terminé lorsque les refus ne varient pas de plus de 1 % entre deux séquences de vibrations de la tamiseuse. Le refus du tamis ayant la plus grande maille est pesée. Soit R1 la masse de ce refus.

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fig. 3.1.2: Colonne de tamis Le refus du tamis immédiatement inférieur est pesé avec le refus précédent. Soit R 2 la masse du deuxième refus. Cette opération est poursuivie pour tous les tamis pris dans l'ordre des ouvertures décroissantes. Ceci permet de connaître la masse des refus cumulés Rn aux différents niveaux de la colonne de tamis. Le tamisat présent sur le fond de la colonne dutamis est également pesé. La somme des refus cumulés mesurés sur les différents tamis et du tamisat sur le fond (fillers) doit coïncider avec le poids de l'échantillon introduit en tête de colonne. La perte éventuelle de matériaux pendant l'opération de tamisage ne doit pas excéder plus de 2% du poids total de l'échantillon de départ. Les résultats peuvent être présentés selon l'exemple suivant : Tableau 3.1.2 : Dimensions nominales des tamis.

Expression des résultats de la courbe granulométrique Les pourcentages des refus cumulés, ou ceux des tamisats cumulés, sont représentés sous la forme d'une courbe granulométrie en portant les ouvertures des tamis en abscisse, sur une échelle logarithmique, et les pourcentages en ordonnée, sur une échelle arithmétique. La courbe est tracée de manière continue et ne peut pas passer rigoureusement par tous les points.

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Fig. 3.1.3: Courbe granulométrique d'un sable

2. Mesure du Coefficient d'aplatissement des granulats But de l'essai L'élaboration des bétons de ciment, ainsi que la réalisation des corps de chaussées et des couches de roulement, necessitent de n'utiliser que des granulats ayant une forme assez ramassée, à l'exclusion des granulats plats. En effet, ceux-ci ne permettent pas de réaliser un béton très compact, et, par ailleurs, en technique routière, ils ne peuvent être utilisés car ils conduisent à des couches de roulement trop glissantes. La détermination du coéfficient d'aplatissement est l'un des tests permettant de caractériser la forme plus ou moins massive des granulats.

Materiel nécessaire

Fig. 3.2.1 Tamis à fentes Page 66

Le coéfficient d'aplatissement s'obtient en faisant une double analyse granulométrique, en utilisant successivement, et pour le même échantillon de granulat.  

Une serie de tamis normalisés à mailles (Essai 3.1), Une serie de tamis à fentes de largeurs normalisées

Forme d'un granulat et coéfficient d'aplatissement La forme d'un granulat est définie par trois grandeurs géometriques :   

La longueur L, distance minimale de deux plans parallèles tangents aux extrémites du granulat, L'épaisseur E, distance minimale de deux plans parallèles tangents au granulat, La grosseur G, dimension de la maille carrée minimale du tamis qui laisse passer le granulat. Le coéfficient d'aplatissement

A d'un ensemble de granulats est le pourcentage pondéral des élements qui vérifient la relation :

Fig. 3.2.2: Forme d’un granulat

Principe de l’essai L‟essai consiste en une double opération de tamisage : Le tamisage classique sur une colonne de tamis normalisés à mailles carrées afin de séparer les granulats en une succession de classes granulaires d/D dont les dimensions sons telles que D = 1,25d. De ce fait, les classes de grosseurs G ainsi définies sont telles qu‟elles suivent la progression géométrique des ouvertures des tamis utilisés au cours de l‟analyse granulométrique. Les différentes classes granulaires d/D ainsi isolées sont tamisées une à une sur une grille à fentes parallèles d‟écartement e=d/1,58 (ce qui correspond aussi à : E=d/2). On peut donc associer à chaque classe granulaire d/D un tamis fente correspondant de largeur E, ce qui permet de définir des coefficients d‟aplatissement Ai partiels. Il est ensuite possible de déterminer un coefficient d‟aplatissement global A. La correspondance entre classes granulaires d/D et grilles à fentes de largeur E est donnée dans le tableau 3.2.1

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Tableau 3.2.1 : Correspondance entre classes granulaires d/D et largeur E des grilles à fentes utilisées

Conduite de l’essai On opère, comme dans l‟analyse granulométrique, avec un échantillon représentatif de masse M

0,2D, D - étant le

diamètre maximum des granulats en millimètres, et M la masse de l‟échantillon, exprimée en kg. L‟échantillon est tamisé sur un tamis de 4 mm d‟ouverture et le refus de masse M 0, qui est pesé au gramme près, est utilisé pour la détermination de A. Le tamisage est effectué de telle manière que l‟essai 3.1 et chaque fraction d/D est pesée au gramme près, puis tamisée sur le tamis à fentes d‟écartement E correspondant (tableau 3.2.1). Le passant à travers chaque grille est pesé au gramme près.

Expression du coefficient d’aplatissement A Pour une classe granulaire d/D donnée, on peut définir un coefficient d‟aplatissement partiel.

avec Mgi = masse de la classe granulaire d/D, Mei = masse passant à travers le tamis à fentes d‟écartement E correspondant. Le coefficient d‟aplatissement global A s‟exprime en intégrant les valeurs partielles déterminées sur chaque classe granulaire :

Il faut que la perte de matériaux pendant le tamisage soit telle que

M0 étant la masse de l'échantillon d/D écrêté de sa fraction 0/0,4 mm.

Modèle de feuille de calculs

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3. Mesure du coefficient d'absorption des sables (NF P 18555) But de la mesure Certains matériaux granulaires peuvent présenter une porosité interne qui est préjudiciable, en particulier, à la résistance au gel des bétons. En effet, l'eau incluse dans le granulat provoque l'éclatement du béton lorsque celui-ci est soumis de manière prolongée à des basses températures.

Principe de la mesure On détermine un coefficient d'absorption, qui est défini comme le rapport de l'augmentation de la masse de l'échantillon après imbibition par l'eau, à la masse sèche de l'échantillon. Cette imbibition est obtenue par immersion de l'échantillon dans l'eau pendant 24 heures à 20 °C. Le coefficient d'absorption (Ab) est défini par la relation :

Ms = masse de l'échantillon sec après passage à l'étuve à 105 °C. Ma = masse de l'échantillon imbibé, surface sèche déterminée comme suit.

Conduit de l'essai Page 69

Après imbibition dans l'eau pendant 24 heures, étaler l'échantillon sur une surface plane non absorbante et le soumettre à un flux d'air chaud, tout en le remuant afin que la surface externe des grains sèche. Ce séchage doit être effectué de manière douce afin de ne pas éliminer l'eau qui pourrait être piégée à l'intérieur du granulat. Veiller également à ne pas perdre de grains de sable au cours de l'opération. Les grains sont alors libres de toutes forces d'attraction capillaire. On peut vérifier que cet état a été atteint en plaçant le matériau dans un moule tronconique, posé sur une surface plane non absorbante, et en le compactant légèrement. On vérifie que celui-ci s'écoule en démoulant ( figure 3.3.1 )

Fig. 3.3.1: Moule et dame pour coefficient d'absorption des graviers.

4. Résistance au choc (Essai Los Angeles) Principe de l'essai L'essai consiste à mesurer la masse m d'éléments inférieurs à 1,6 mm, produits par la fragmentation du matériau testé (diamètres compris entre 4 et 50 mm) et que l'on soumet aux chocs de boulets normalisés, dans le cylindre de la machine Los Angeles en 500 rotations.

Formulation Si M est la masse du matériau soumis à l'essai et m la masse des éléments inférieurs à 1,6 mm produits au cours de l'essai, la résistance à la fragmentation aux chocs est exprimé par le coefficient Los Angeles L A :

Cet essai est également utilisé pour vérifier la sensibilité au gel des gravillons conformément à la norme NF P18-593. Soit LA le coefficient Los Angeles du gravillon. On mesure un deuxième coefficient Los Angeles sur un échantillon de ce même gravillon ayant subi 25 cycles de gel-dégel. Soit LAg le coefficient obtenu. La sensibilité au gel du gravillon a pour expression :

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Fig. 3.4.1 Appareil pour essai Los Angeles

Tableau 3.4.1 : Catégorie et la quantité de la bille d'acier pour l'essai.

5. Détermination de la masse volumique absolue d'un sable ou d'un gravier But de l'essai Cet essai a pour but de permettre de connaître la masse d'une fraction granulaire lorsque par exemple on élabore une composition de bétons. Ce paramètre permet, en particulier, de déterminer la masse ou le volume des différentes classes granulaires malaxées pour l'obtention d'un béton dont les caractéristiques sont imposées.

Détermination de la masse volumique absolue La masse volumique absolue ρs est la masse par unité de volume de la matière qui constitue le granulat, sans tenir compte des vides pouvant exister dans ou entre des grains. Il ne faut pas confondre ρs avec la masse volumique ρ qui est la masse de matériau par unité de volume, celui-ci intégrant à la fois les grains et les vides. Les masses volumiques s'expriment en t/m 3, en kg/dm3, ou en g/cm3. La masse volumique absolue moyenne des granulats silico-calcaires est prise égale, en première approximation, a 2,65 t/m3 ou 2,65 g/cm3.

Méthode de l'éprouvette graduée

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Cette méthode est très simple et très rapide. Elle utilise du matériel très courant de laboratoire. Toutefois sa précision est faible. 1. Remplir une éprouvette graduée avec un volume V 1 d'eau. 2. Peser un échantillon sec M de granulats (environ 300 g) et l'introduire dans l'éprouvette en prenant soin d'éliminer toutes les bulles d'air. 3. Le liquide monte dans l'éprouvette. Lire le nouveau volume V2. La masse volumique est alors:

Pour opérer dans de bonnes conditions, utiliser une éprouvette graduée en verre de 500 cm 3 de volume. La lecture des niveaux V1 et V2 doit se faire en bas du ménisque formé par l'eau. En effet, celle-ci a tendance à remonter sur les bords de l'éprouvette sur une hauteur de 1 à 2 mm, ce qui fausse bien sûr la lecture des volumes si la lecture est effectuée en haut du ménisque.

Fig. 3.5.1: Méthode de l'éprouvette

6. Mesure la propreté des graviers (l'essai d'équivalent de sable) La propreté des granulats peut s'apprécier de différentes façons telles que l'essai au bleu de méthylène, d'équivalent de sable à 10 % de fines etc., mais dans ce cours, on va présenter seulement l'essai d'équivalent de sable.

But de l'essai Cet essai a pour but de mesurer la propreté des sables entrant dans la composition des bétons. L'essai consiste à séparer les flocules fins contenues dans le sable. Une procédure normalisée permet de déterminer un coefficient d'équivalent de sable qui quantifie la propreté de celui-ci.

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Principe de l'essai L'essai est effectué sur la fraction 0/2 mm du sable à étudier. On lave l'échantillon, selon un processus normalisé, et on laisse reposer le tout. Au bout de 20 minutes, on mesure les éléments suivants : - hauteur h1 : sable propre + éléments fins, - hauteur h2 : sable propre seulement. On en déduit l'équivalent de sable qui, par convention est (figure 3.6.1). L'essai dit d'équivalent de sable - permet de déterminer le degré de propreté du sable :

Selon que la hauteur h2 est mesurée visuellement ou à l'aide d'un piston, on détermine ESV (équivalent de sable visuel) ou ES (équivalent de sable au piston)

Fig. 3.6.1: Définition de l'équivalent de sable

Présentation du chapitre 4 La pâte de ciment est composée principalement de ciment (C) et d‟eau (E). Parfois on parle de coulis si on incorpore quelques ajouts. Dans ce chapitre, on présente les différents types de coulis, leurs domaines d‟emploi ainsi que leurs propriétés principales, telle que la consistance et les caractéristiques de fluidité. Quelques questions vous permettront de tester vos connaissances.

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Sommaire du chapitre 4 4.1 Introduction 4.2 Caractéristiques

Introduction La pâte de ciment est composée principalement de ciment (C) et d‟eau (E). Soit E et C les concentrations (en masse) d‟eau et de ciment pour un volume unité de pâte. Dès que l‟on mélange le ciment avec l‟eau, l‟hydratation va commencer et les propriétés de la pâte sont évolutives dans le temps. Tant que cette hydratation n‟est pas trop avancée, la pâte reste plus ou moins malléable, ce qui permet de lui faire épouser par moulage la forme désirée. Mais après un certain temps les cristaux

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d‟hydrates prenant de plus en plus d‟importance, le mélange se raidit, on dit qu‟il fait prise, et le matériau commence alors à s‟apparenter plus à un solide qu‟à un fluide. La pâte de ciment joue un rôle très important pour solidariser les squelettes granulaires du béton. Elle est un des facteurs influençant la qualité, le prix et les propriétés mécaniques du béton. En général, la pâte pure de ciment est pratiquement peu utilisée et même pour déterminer la classe de la résistance des ciments, on mesure à travers des mortiers. Bien souvent, un ou plusieurs adjuvants sont également associés au ciment pour influer sur les qualités de la pâte. En outre, les divers ajouts jouent un grand rôle pour modifier les propriétés selon leurs domaines d'emploi. Ce type de pâtes s'appelle aussi les coulis.

Fig 4.1: Les constituants des pâtes et des coulis de ciment Les coulis de ciment sont des mélanges fluides de:   

Ciment (ou autre liant); Eau; Adjuvants et ajouts divers (éventuellement). Les coulis sont différents les uns des autres, suivant:

  

La nature du ciment: normalisé des CPA au CLK; spéciaux; La quantité d‟eau (le rapport de E/C est souvent compris entre 0,5 et 5): La présence de certains adjuvants: rétention d‟eau; fluidifiant; retardateur de prise; rigidifiant; accélérateur de prise; expansifs; L‟ajout de certaines substances: argile, bentonite; kieselguhr, silice fine; cendres volantes, fillers, laitier en poudre; chaux; sable fin (0/1 mm). L‟énergie de malaxage. Dans chaque cas, on étudiera une formule de coulis tenant compte du but recherché: c‟est-à-dire que pour sa mise au point

o o o o o o  o o o o o 

l‟aide du laboratoire est pratiquement indispensable. Les exigences quant aux coulis porteront suivant les cas, sur:

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  

les propriétés rhéologique (fluidité, ressuage); les temps de prise (à la température du chantier); l'évolution des résistances mécaniques; et parfois sur:

 

la résistance au milieu environnant; la densité; la perméabilité, l'absorption capillaire; le retrait et gonflement. Dans tous les cas, les coulis devront être stables, homogènes et conserver ces propriétés pendant l‟injection (ils sont en

 

général mis en oeuvre par injection).

Les principales applications  o o o o o o         

travaux souterrains: comblement de carrières; remplissage de grosses cavités; injection dans les failles et les grosses fissures des roches fissurées; injection dans des sols pulvérulents (consolidation); préfabriqués, parois moulées; parois aux coulis autodurcissant et panneaux; calage de voussoirs préfabriqués (dans la réalisation de tunnels). voile d‟étanchéité dans le sol (cas des barrages) injection dans un squelette de granulats mis en place au préalable; scellement de tirants d‟ancrage; scellement et calage de machines; consolidation de dalles (support); réalisation de sols semi-rigides; régénération de maçonneries et joints divers; injection dans le cas de puits de pétrole; injection de gaine du béton précontraint.

4.2 Caractéristiques de la pâte de ciment et du coulis Les caractéristiques principales de la pâte de ciment sont:   

la consistance (fluidité) les temps de prises (début et fin de prises), la stabilité, etc.. La consistance La consistance de la pâte de ciment est sa plus ou moins grande fluidité. C'est une caractéristique qui évolue au cours du temps. Pour pouvoir étudier l'évolution de la consistance en fonction des différents paramètres, il faut pouvoir partir d'une consistance qui soit la même pour toutes les pâtes étudiées. La consistance dite "consistance normalisée" peut être déterminée par l'essai en utilisant un appareil qui s'appelle "Vicat" (fig 4.2) La distance ( d ) caractérise l‟aptitude de la consistance de la pâte étudiée.

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- Si ( d ) = 6mm ± 1mm, on dit que la consistance de la pâte étudiée est normalisée, (Consistance normalisée ). - Si ( d ) n‟atteint pas cette valeur ( c.a.d. d > 7 mm ou d < 5mm ), il convient de refaire l‟essai avec une valeur différente du rapport E/C jusqu‟à atteindre la valeur recherchée de la consistance.

Fig. 4.2: Appareil de Vicat muni de sa sonde de consistance

Fig. 4.3: Evolution de la consistance d’une pâte de ciment en fonction de E/C Le graphique ci- dessous (fig 4.4) présente la composition volumique d'une pâte de ciment en fonction de E/C. Dans ce mélange, il existe trois parties: ciment, eau et air. On constate que le rapport E/C de 0,18 au-delà duquel l'augmentation du dosage en eau permet la fluidification du mélange correspond à une pâte à l'intérieur de laquelle il n'y a plus que très peu d'air occlus. C'est d'ailleurs pour des valeurs de E/C supérieures à cette limite que le mélange a réellement l'aspect d'une pâte; auparavant il a plutôt l'aspect d'une poudre donc la cohésion croît quand le dosage en eau augmente.

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Fig 4.4: Composition volumique d’une pâte de ciment en fonction de E/C

Fig. 4.5: Grains de ciment reliés entre eux par des ménisques capillaires En effet, la présence d'air et d'eau dans la pâte conduit à l'apparition de ménisques capillaires qui solidarisent les grains de ciment entre eux (fig 4.5). En l'absence d'eau (E/C = 0), il n'y a pas de tels ménisques; en absence d'air (dans l'essai considéré pour E/C ≈ 0,2) il y en a plus; entre ces deux valeurs extrêmes de E/C la cohésion passe par un maximum pour E/C ≈ 0,18 qui correspond à l'influence maximum des forces de capillarité. Pour E/C > 0,18, l'augmentation de la quantité d'eau contribue à éloigner les grains de ciment les uns des autres et donc à fluidifier le mélange.

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Fig 4.6: Influence de la nature de ciment et des adjuvants sur la consistance normalisée. Caractéristiques de fluidité (Norme NF P 18-358) En général, les pâtes de ciment entrant dans la composition des mortiers ou des bétons ont des consistances beaucoup plus fluides et donc des dosages en eau plus importants. Quant aux pâtes qui sont utilisées pures pour l‟injection des câbles de précontrainte, elles sont encore plus fluides et appelées coulis. Pour tester la consistance de ces coulis, on utilise alors un autre appareillage: le cône d‟écoulement. Un coulis trop épais mettra plus de temps pour pénétrer dans la gaine et parcourir toute la longueur; de plus la pression d‟injection à exercer risque d‟être plus élevée. Un coulis trop fluide risque de s'agréger (ressuage important). La fluidité se mesure habituellement à l‟aide d‟un cône de Marsh de 1875 cm3. On chronomètre le temps mis par un litre de coulis pour passer au travers d‟un ajutage calibré (orifice 10 mm de diamètre et 60 mm de longueur). Plus l‟écoulement sera rapide et plus le coulis sera réputé être fluide. La figure 4.7 donne les dimensions du cône utilisé. L‟essai s‟effectue sur 3 échantillons. Si t 0 est l‟instant d‟achèvement de la confection du coulis, les mesures de fluidité se font à: t0 ; t0 + 15 minutes et t0 + 30 minutes, (on malaxe que 30 secondes le coulis qui est protégé pendant son attente de toute évaporation). Le temps d‟écoulement doit être inférieur à 25 secondes et se maintenir constant pendant les 15 minutes qui suivent la fabrication du coulis.

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Fig. 4.7: Dimension du cône de Marsh (cône d’écoulement).

Caractéristiques de stabilité (Norme NF P 18-359) L‟essai consiste à mesurer la quantité d‟eau qui ressue à la surface du coulis hydraulique laissé au repos et à l‟abri de toute évaporation. L‟exsudation du coulis doit être réduite. La mesure s‟effectue à l‟aide d‟une éprouvette en verre de 25 mm de diamètre, de 25 mm de hauteur, que l‟on remplit jusqu‟à une graduation comprise entre 95 et 100. Cette éprouvette est recouverte afin d‟éviter toute évaporation. Les directives actuelles précisent que, dans ces conditions, la quantité d‟eau exsudée à la surface du coulis, maintenue au repos pendant trois heures, ne devra pas être supérieure à 2 % du volume de coulis. Cette eau devra, de plus, être complètement réabsorbée 24 h après.

Autres caractéristiques La réduction d’eau (par rapport au témoin) doit être supérieure ou égale à 5 %. Les résistances mécaniques (Norme NF P 18-360): doivent être suffisantes en compression et en traction par flexion. Pour les coulis dont la teneur en eau varie 34 à 37 %, les résistances en compression s‟échelonnent généralement de 500 à 600 daN/ cm2. Les résistances peuvent être abaissées dans le cas d‟addition de certains produits destinés à améliorer l‟injectabilité ou l‟addition d‟agents expansifs. Les résistances peuvent, par contre, être améliorées grâce à un puissant malaxage du coulis (par haute turbulence, par exemple). Les directives actuelles demandent les résistances minimales suivantes à 28 jours (conservation des prismes de pâte pure de 4 x 4 x 16 cm à 20 °C dans des sacs étanches): 4 MPa en traction par flexion, 30 MPa en compression.

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Le temps de prise (Norme NF P 18-362): compte tenue de la température ambiante, le coulis ne devra pas faire prise trop tôt (risque d‟obturation des gaines), ni trop tard (risque d‟exsudation). Les temps de prise sont mesurés à trois températures différentes: 5, 20 et 30 °C. Par temps chaud, le début de prise déterminé à 30 °C devra être supérieur à 3 h. Par temps froid, la fin de prise déterminée à 5 °C devra être inférieure à 24 h (au-delà, le risque de gel du coulis devient important). Le retrait (Norme NF P 15- 361): Il est mesuré sur prismes de 4 x 4 x 16 cm, conservés à 20 °C et à 50,5 % d‟humidité relative. il doit être à 28 jours inférieur de 2800 microns/mètre.

Présentation du chapitre 5 Le mortier est un des matériaux de construction que l‟on utilise pour solidariser les éléments entre eux, assurer la stabilité de l‟ouvrage, combler les interstices entre les blocs de construction. En général, le mortier se compose de ciment ou de chaux, de sable, d'eau et d'adjuvant. Dans ce chapitre, nous en présenterons les différents types ainsi que les caractéristiques principales telles que l'ouvrabilité, la prise, le retrait etc... La section Expériences décrira les essais permettant de mesurer en laboratoire les caractéristiques du mortier présentées à la section précédente. Un essai nous permettra également de définir un mortier "normal". Enfin, les exercices reprennent des questions pour tester vos connaissances sur les mortiers.

Sommaire du chapitre 5 5.1 Introduction 5.2 Composition 5.3 Les différents mortiers 5.4 Caractéristiques principales Expériences Page 81

5.1 Introduction Dans toute construction, il est indispensable de réunir entre eux les différents éléments (blocs de béton, briques, éléments en béton préfabriqué, etc.) au moyen d‟un mortier de ciment ou d‟autre liant qui a pour but de:   

solidariser les éléments entre eux; assurer la stabilité de l‟ouvrage; combler les interstices entre les blocs de construction. Le mortier est obtenu par le mélange d‟un liant (chaux ou ciment), de sable, d‟eau et éventuellement d‟additions. Des compositions multiples de mortier peuvent être obtenues en jouant sur les différents paramètres: liant (type et dosage), adjuvants et ajouts, dosage en eau. En ce qui concerne le liant, tous les ciments et les chaux sont utilisables; leur choix et le dosage sont fonction de l‟ouvrage à réaliser et de son environnement. La durée de malaxage doit être optimum, afin d‟obtenir un mélange homogène et régulier. Les mortiers peuvent être:

  

préparés sur le chantier en dosant et en mélangeant les différents constituants y compris les adjuvants. préparés sur le chantier à partir de mortiers industriels secs prédosés et avant l‟utilisation, il suffit d‟ajouter la quantité d‟eau nécessaire. livrés par une centrale: ce sont des mortiers prêts à l‟emploi. Les mortiers industriels se sont beaucoup développés ces dernières années; permettant d‟éviter le stockage et le mélange des constituants sur des chantiers.

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5.2 Composition Le mortier est un des matériaux de construction, qui contient du ciment; de l‟eau; du sable; des adjuvants et éventuellement des additions. Ils peuvent être très différents les uns des autres selon la nature et les pourcentages des constituants, le malaxage, la mise en oeuvre et la cure. Les mortiers sont constitués par des mélanges de:    

liant (ciment ou chaux) eau sable adjuvants

Les liants: Généralement, on peut utiliser:     

les ciments normalisés (gris ou blanc); les ciments spéciaux (alumineux fondu, prompt, ..) les liants à maçonner; les chaux hydrauliques naturelles; les chaux éteintes

Les sables: Normalement, les sables utilisés sont les sables appelés “sable normalisé”. Les sables de bonne granulométrie doivent contenir des grains fins, moyens et gros. Les grains fins se disposent dans les intervalles entre les gros grains pour combler les vides. Ils jouent un rôle important: Ils réduisent les variations volumiques, les chaleurs dégagées et même le prix. Les dosages se feront en poids plutôt qu‟en volume comme c‟est souvent le cas, afin d‟éviter les erreurs de dosage, par suite de l‟augmentation de volume de sable humide. Ils peuvent être:    o o o o o o o

naturels et roulés (de rivières, de sablières, ..), de nature siliceuse ou silico-calcaire; naturels concassés (roches de carrières), comme des basaltes, porphyres, quartzites. Ils sont anguleux et durs. spéciaux (lourds, réfractaires, légers): sable de laitier; sable d‟oxydes de fer, de chromite; corindon; sable de briques concassés; liège torréfié; polystyrène expansé; vermiculite, perlite. Certains sables sont à éviter, notamment les “sables à lapin”, généralement très fins, les sables crus qui manquent de fines et les sables de dunes ou de mer qui contiennent des sels néfastes pour les constituants des ciments, par contre ils doivent être propres. Le diamètre maximum des grains de sable utilisés pour les mortiers est:



extra-fins: jusqu‟à 0,8 mm (en tamis), soit 1 mm (en passoire);

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  

fins: jusqu‟à 1,6 mm; moyens: jusqu‟à 3,15 mm; gros: jusqu‟à 5 mm.

Les adjuvants: Les adjuvants sont des produits chimiques que l‟on utilise dans le cas des bétons. Ils modifient les propriétés des bétons et des mortiers auxquels ils sont ajoutés en faible proportion (environ de 5% du poids de ciment). Les mortiers peuvent comporter différents types d‟adjuvants:    

les plastifiants (réducteurs d‟eau); les entraîneurs d‟air; les modificateurs de prise (retardateurs, accélérateurs); les hydrofuges. Dans tous les cas des soins particuliers doivent être pris afin d‟obtenir des mortiers sans ressuage, homogènes d‟une gâchée à l‟autre.

Les ajouts: Les ajouts que l‟on utilise dans les mortiers sont:    

poudres fines pouzzolaniques (cendres, fumée de silice..); fibres de différentes natures; colorants (naturels ou synthétiques); polymères.

5.3 Les différents mortiers Dans les travaux publics on utilise différents types de mortier: 





Les mortiers de ciment Les mortiers de ciments sont très résistants, prennent et durcissent rapidement. Le dosage du rapport entre le ciment et le sable est en général volumétrique de 1:3 et le rapport de l‟eau sur ciment est environ 0,35. De plus, un dosage en ciment les rend pratiquement imperméables. Les mortiers de chaux Les mortiers de chaux sont moins résistants par rapport aux mortiers de ciment (gras et onctueux). La durée du durcissement des mortiers de chaux est plus lente que pour les mortiers de ciments. Les mortiers bâtards Ce sont les mortiers, dont le liant est le mélange de ciment et de chaux. Généralement, on utilise la chaux et le ciment par parties égales, mais des fois on prend une quantité plus ou moins grande de l‟un ou l‟autre suivant l‟usage et la qualité recherchée.

5.3.1 Mortiers fabriqués sur chantier Ils sont préparés avec le ciment et le sable du chantier. Le ciment est un ciment courant CPA ou CPJ et parfois des ciments spéciaux comme le ciment alumineux fondu. On emploie également des chaux hydrauliques et parfois des liants à maçonner. Le sable est le plus souvent roulé (nature silico-calcaires) parfois concassé et le gâchage s‟effectue à la pelle ou à l‟aide d‟une petite bétonnière. Ces mortiers ne sont

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donc pas très réguliers et les sables peuvent être différents d‟une livraison à l‟autre, mais de toutes façons ils doivent être propre et de bonne granulométrie. Le sable est généralement dosé en poids (ce qui est préférable), soit en volume (cas des petits chantiers). Dans ce dernier cas, il est très important de tenir compte du phénomène de foisonnement des sables.

5.3.2 Mortier industriel Ce sont des mortiers que l‟on fabrique à partir de constituants secs, bien sélectionnés, conditionnés en sacs, contrôlés en usine et parfaitement réguliers. Pour utiliser ce type de mortiers, il suffit de mettre la quantité d‟eau nécessaire et malaxer pour ensuite les mettre en oeuvre. Les mortiers peuvent contenir des liants et des sables variés ainsi que certains adjuvants et éventuellement des colorants. Les fabricants de mortiers industriels proposent une gamme complète de produits répondant à tous les besoins:        

mortiers pour enduits de couleur et d‟aspect varié, mortiers d‟imperméabilisation, mortier d‟isolation thermique, mortier de jointoiement, mortier de ragréage, mortier de scellement, mortier pour chapes, mortier-colle pour carrelages, sur fond de plâtre ou de ciment, etc., mortier de réparation.

5.4 Caractéristiques principales Les caractéristiques principales des mortiers sont:    

ouvrabilité; prise; résistances mécaniques; retraits et gonflements, etc. Pour pouvoir évaluer les caractéristiques des mortiers on prend souvent comme référence le mortier 1/3 composé en poids de: une partie de ciment et de 3 parties de sable normalisé dont les grains s‟échelonnent de 80 microns à 2 mm et passent dans un fuseau bien déterminé (fig. 5.4.1) et 0,45 partie d‟eau. Ce mortier est malaxé et mis en place dans des moules métalliques suivant des méthodes normalisées. On fait sur ce mortier des essais rhéologiques et éventuellement la prise et la chaleur d‟hydratation. Beaucoup d‟essais de laboratoires se font sur les prismes de 4 x 4 x 16 cm (résistances mécaniques, retrait, gonflement, absorption capillaire, résistances au gel et aux eaux agressives).

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Fig. 5.4.1 : Courbe granulométrique du sable normalisé selon les normes Afnor

5.4.1 Ouvrabilité L'ouvrabilité d'un mortier se mesure à l'aide de divers appareils. Les plus connus sont: a) La table à secousses: le mortier, après avoir été mis en place et démoulé d'un moule tronconique, reçoit 15 chocs en 15 secondes. On mesure le diamètre de la galette ainsi obtenue. L'étalement en % est donné par la formule:

avec Dr = diamètre final et Di = diamètre initial.

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Fig. 5.4.2 : Table à secousses b) Le maniabilimètre du LCPC: il est constitué d'un moule parallélépipédique comportant une paroi mobile et un vibrateur. Le principe de l'essai consiste, après avoir enlevé la paroi mobile, à mesurer le temps mis par le mortier sous vibrations pour atteindre un repère gravé sur la face intérieure du moule.

Fig. 5.4.3 : Principe de fonctionnement du maniabilimètre B c) Le cône: dans le cas d'un mortier fluide, on peut mesurer le temps d'écoulement d'une certaine quantité de mortier au travers d'un ajustage calibré situé à la partie inférieure d'un cône. Le cône peut aussi être muni d'un vibrateur.

5.4.2 Prise Le temps de prise se mesure habituellement sur une pâte pure de ciment de consistance normale (24 à 30% d'eau) et conformément à la norme concernée (à l'aide de l'appareil de Vicat). Il est possible d'obtenir (hors norme) le temps de prise d'un mortier avec le même appareillage mais en plaçant une surcharge de 700 grammes sur le plateau supérieur. Le poids de l'aiguille pénétrant dans le mortier est de 1000 grammes. Le début de prise est l'instant où l'aiguille s'arrête à 2,5 mm du fond (taille des plus gros grains de sable) et la fin de prise est l'instant où l'aiguille s'arrête à 2,5 mm du niveau supérieur.

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Fig. 5.4.4 : Appareil de Vicat muni de l'aiguille avec une surcharge

5.4.3 Résistances mécaniques Les essais sont souvent effectués sur les éprouvettes prismatiques de 4 x 4 x 16 cm conservés dans l'eau à 20 °C.

Fig. 5.4.5 : Moule pour moulage des éprouvettes de mortier Les éprouvettes sont rompues en traction par flexion puis en compression. Les résistances, aussi bien en traction par flexion qu'en compression, progressent à peu près comme logarithme du temps (entre 1 et 28 jours).

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Fig. 5.4.6 : Dispositif pour l'essai de résistance à la flexion.

Fig. 5.4.7 : Dispositif de rupture en compression. Les résistances des mortiers (comme dans le cas des bétons) dépendent de très nombreux facteurs:     

nature et dosage en ciment; rapport C/E; granulométrie et nature du sable; énergie de malaxage et mise en oeuvre; protection les tous premiers jours.

5.4.4 Retraits et gonflements Les retraits se mesurent sur des prismes 4 x 4 x 16 cm en mortier 1/3, munis de plots à leurs extrémités et conservés, après démoulage, dans une enceinte à 20 °C et à 50 % d'humidité relative. Ce retrait progresse à peu près comme le logarithme entre 1 et 28 jours. Le mortier prend son retrait plus rapidement que la pâte pure. Le rapport du retrait de la pâte pure sur le retrait du mortier croît avec le temps. Il est de l'ordre de 1,5 à 2,5 les premiers jours, puis augmente pour atteindre 2,5 à 3,5 en un an. En moyenne, le retrait sur mortier est 2 à 3 fois plus faible que celui de la pâte pure (avec le même ciment). Le gonflement des mortiers (qui se produisent lorsqu'ils sont conservés dans l'eau) se mesure sur les mêmes éprouvettes de 4 x 4 x 16 cm conservées dans l'eau à 20 °C. Ils sont en général assez faibles (cas de ciment stable ayant une expansion aux aiguilles de le Châtelier inférieure sur pâte pure à 10 mm).

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Fig. 5.4.8 : Appareillage pour la mesure du retrait

Expériences 1. DEFINITION DU MORTIER NORMAL (EN 196-1) Le mortier normal est un mortier qui sert à définir certaines caractéristiques d‟un ciment et notamment sa résistance. Ce mortier est réalisé conformément à la norme ( pour déterminer la consistance de la pâte de ciment). Le sable utilisé est un sable appelé “sable normalisé CECN EN 196-1”, lui-même étant défini par rapport à un ”sable de référence CEN”. Ce sable est commercialisé en sac plastique de 1350 + 5g. sa courbe granulométrique doit se situer à l‟intérieur du fuseau indiqué sur la figure 5.5.1

Fig. 5.5.1 : Composition granulométrique du sable de référence CEN La composition du mortier à tester est le suivant : Page 90

  

sable normalisé = 1350 g 65 g. ciment = 450 g 6 2 g. eau de gâchage = 225 g 6 1 g (le rapport de E/C est donc 0,50). Avant d‟être utilisé pour les différents essais de maniabilité, de prise, de résistance ou de retrait, on mélange la composition d‟un mortier pendant 4 minutes conformément aux prescriptions de la norme :

   

Introduire l‟eau en premier dans la cuve du malaxeur ; y verser ensuite le ciment ; mettre le malaxeur en marche à vitesse lente. Après 30 s de malaxage, introduire régulièrement le sable pendant les 30 s suivants. Mettre alors le malaxeur à sa vitesse rapide et continuer le malaxage pendant 30s supplémentaires. Arrêter le malaxeur pendant 1 min 30s. Pendant les 15 premières secondes enlever au moyen d‟une raclette en caoutchouc tout le mortier adhérant aux parois et au fond du récipient en le repoussant vers le milieu de celui-ci. Reprendre ensuite le malaxage à grande vitesse pendant 60 s. Tableau 5.1.1: Opération pour déterminer le mortier normal

2. Mesure de la consistance des mortiers ( NF P 18-452 et NF P15-437 ) Objectif de l'essai C'est une mesure qui est utile pour apprécier l'efficacité d'un adjuvant plastifiant, ou superplastifiant, sur la fluidité d'un mortier ou sur la réduction d'eau qu'il permet de réaliser à consistance égale. Il convient donc de définir un mode opératoire susceptible d'apprécier cette consistance ; c'est l'objet des essais définis par les normes NF P 18 - 452 et NF P 15 -437.

Principe de l'essai Dans ces essais, la consistance est caractérisée par le temps que met le mortier pour s'écouler sous l'effet d'une vibration.

Equipement nécessaire L'appareil utilisé est appelé maniabilimètre B" et est schématisé sur la figure ci-dessous. Il consiste en un boîtier parallélépipédique métallique ( 60 cm x 30 cm x 30cm ), posé sur des supports en caoutchouc, équipe d'un vibrateur et muni d'une cloison amovible. Un malaxeur normalisé est également requis pour la réalisation du mortier.

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Fig. 5.5.1: Principe de fonctionnement du maniabilimètre B

Conduite de l'essai Le mortier est introduit dans la partie la plus grande délimitée par la cloison et mis en place par piquage en 4 couches. 4 minutes après la fin du malaxage, la cloison est retirée, provoquant la mise en route du vibrateur et le déclenchement d'un chronomètre par l'opérateur. Sous l'effet de la vibration le mortier s'écoule. Le chronomètre est arrêté quand le mortier atteint un trait repère sur la paroi opposée du boîtier. Le temps t mis par le mortier pour s'écouler caractérise sa consistance. Ce temps sera d'autant plus court que le mortier sera plus fluide (ou plus maniable, d'où le nom de l' appareil).

3. Mesure du temps de prise sur mortier ( NF P 15-431 et NF 18-356 ) Les essais de prise peuvent être effectués sur mortier. Lorsque L'essai a lieu sur mortier normal, il est gouverné par la norme NF P15-431. Lorsqu'il s'agit d'un adjuvant, l'essai obéit à la norme NF P18-356. L'appareil utilisé est toujours l'appareil de Vicat, (Fig5.3.1), mais surchargé par une masse additionnelle de 700 g. (300+700) = 1000g. L'aiguille de 1,13mm de diamètre qui pénètre le mortier est alors soumis à une charge de 1000g. La procédure d'essai est la même que celle décrite où l'aiguille cesse de s'enfoncer sous l'effet de ce chargement et s'arrête a une distance d du fond du moule de 2,5mm.

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Fig. 5.3.1 : Appareil de Vicat muni de l'aiguille avec une surcharge

4. Mesure des résistances à la compression et à la traction ( EN 196-1 ) Objectif de l’essai La résistance d‟un mortier est directement dépendante du type de ciment donc, il s‟agit de définir les qualités de résistance d‟un ciment plutôt que d‟un mortier.

Principe de l’essai L‟essai consiste à étudier les résistances à la traction et à la compression d‟éprouvettes de mortier normal. Dans un tel mortier la seule variable est la nature de liant hydraulique; la résistance du mortier est alors considérée comme significative de la résistance du ciment.

Equipement nécessaire L‟ensemble est décrit de manière détaillée par la norme EN 196-1. Il est énuméré ci-dessous. Une salle maintenue à une température de 20 °C ± 2 °C et à une humidité relative supérieure ou égale à 50 %. Page 93

Une chambre ou une armoire humide maintenue à une température de 20 °C ± 1 °C et à une humidité relative supérieure à 90 %. Un malaxeur normalisé (figure 5.5.3) Des moules normalisé permettant de réaliser 3 éprouvettes prismatiques de section carrée 4cm×4cm et de longueur 16cm ( ces éprouvettes sont appelés “éprouvettes 4×4×16” ). Un appareil à chocs permettant d‟appliquer 60 chocs aux moules en les faisant chuter d‟une hauteur de 15mm± 0,3mm à la fréquence d‟une chute par seconde pendant 60 s. Une machine d‟essais de résistance à la flexion permettant d‟appliquer des charges jusqu‟à 10KN avec une vitesse de mise en charge de 50 N/s ± 10N/s. La machine doit être pourvue d‟un dispositif de flexion tel que celui schématisé sur la figure 5.6. Une machine d‟essais à la compression permettant d‟appliquer des charges jusqu‟à 150 KN ( ou plus si les essais l‟exigent ) avec une vitesse de mise en charge de 2400 N/s ± 200 N/s. Cette machine est équipée d‟un dispositif de compression tel que celui schématisé sur la figure.

Fig. 5.4.1: Moules pour moulage des éprouvettes de mortier

Conduite de l’essai La norme EN 196-1 décrit de manière détaillée le mode opératoire concernant cet essai. Avec le mortier normal préparé comme indiqué (à la partie supérieure), on remplit un moule 4 x 4 x 16. Le serrage du mortier dans ce moule est obtenu en introduisant le mortier en deux fois et en appliquant au moule 60 chocs à chaque fois. Après quoi le moule est arasé, recouvert d‟une plaque de verre et entreposé dans la salle ou l‟armoire humide. Entre 20 h et 24 h après le début du malaxage, ces éprouvettes sont démoulées et entreposées dans de l‟eau à 20 C° ± 1 C° jusqu‟au moment de l‟essai de rupture. Au jour prévu, les 3 éprouvettes sont rompues en flexion et en compression. Les normes ENV 197-1 et NFP 15-301 définissent les classes de résistance des ciments d‟après leur résistance à 2 (ou 7 jours) et 28 jours. Ces âges sont donc impératifs pour vérifier la conformité d‟un ciment. Si des essais sont réalisés à d‟autres âges, ils devront être réalisés dans les limites de temps indiquées dans le tableau ci-dessous.

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La rupture de chaque éprouvette en flexion est effectuée conformément au dispositif décrit sur la figure.

Fig 5.4.2: Dispositif pour l’essai de résistance à la flexion. Si Ff est la charge de rupture de l‟éprouvette en flexion, le moment de rupture vaut F f l/4 et la contrainte de traction correspondante sur la face inférieure de l‟éprouvette est :

Cette contrainte est appelé la résistance à la flexion. Compte tenu des dimensions b et l , Si F f est exprimée en newtons (N), cette resistance exprimée en méga pascals (MPa) vaut :

Fig. 5.4.3: Dispositif de rupture en compression. Les demis-prismes de l‟éprouvette obtenus après rupture en flexion seront rompus en compression comme indiqué sur la figure 5.4.3. Si FC est la charge de rupture, la contrainte de rupture vaudra :

Cette contrainte est appelée résistance à la compression et, si FC est exprimée en newton, cette résistance exprimée en mégapascals vaut :

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Les résultats obtenus pour chacun des 6 demi-prismes sont arrondis à 0,1 MPa près et on en fait la moyenne. Si l‟un des 6 résultats diffère de ± 10 % de cette moyenne, il est écarté et la moyenne est alors calculée à partir des 5 résultats restants. Si à nouveau un des 5 résultats s‟écarte de ± 10 % de cette nouvelle moyenne, la série des 6 mesures est écartée. Auquel cas il convient de chercher les raisons de cette dispersion : malaxage, mis en place, conversation ? Lorsque le résultat est satisfaisant, la moyenne ainsi obtenue est la résistance du ciment à l‟âge considéré.

Résistance normale La résistance dite résistance normale pour un ciment donné est la résistance ainsi mesurée à l‟âge de 28 jours. C‟est cette résistance qui définit la classe du ciment : si un ciment a, (à 28 jours), une résistance normale de 52 MPa, on dira que sa classe vraie est de 52 MPa.

5. Mesure du retrait sur éprouvettes de mortier (NF P 15433) Objectif de l’essai Il s‟agit d‟évaluer le retrait, ou le gonflement, que provoque le ciment étudié sur des éprouvettes de mortier normal.

Principe de l’essai On compare, à différents temps t, la variation de longueur d‟une éprouvette 4 x 4 x 16 cm, par rapport à sa longueur à un temps t0 pris pour origine.

Equipement nécessaire Il est décrit dans la norme NF P 15-433. Une salle maintenue à une température de 20 °C ± 2 °C et à une humidité relative supérieure ou égale à 50 % ± 5 %. Eventuellement deux bains d‟eau dont la température est maintenue à 20 °C ± 1 °C et. 5 °C ± 1 °C. Un malaxeur normalisé (figure 5.5.3) Des moules équipés de plots de retrait en laiton. Les plots sont vissés au moule au moment de la mise en place du mortier puis désolidarisé du moule avant le démoulage. Après durcissement, les éprouvettes 4 x 4 x 16 sont donc munies à leurs deux extrémités de plots comme indiqué sur la figure 5.5.8. Un déformètre (tel que celui schématisé sur la figure 5.5.8) équipé d‟un comparateur permettant de réaliser des mesures avec une exactitude inférieure ou égale à 0,005 mm. Une tige de 160 mm de longueur doit permettre de régler le zéro du déformètre. Cette tige est en Invar de façon à ce que les variations de température qu‟elle peut connaître au cours de la manipulation n‟entraînent pas de modification appréciable de sa longueur.

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Fig 5.5.8 Appareillage pour la mesure du retrait

Conduite de l’essai Au moment de la mesure, le comparateur est mis au zéro sur la tige étalon en Invar de longueur L = 160 mm. Soit dl(t) la valeur lue sur le comparateur au temps t; l‟éprouvette a une longueur au temps considéré:

Soit l(t0) la longueur de l‟éprouvette au temps t0 choisi d'origine. En général, cette origine est prise au moment du démoulage, 24 h après la confection des éprouvettes. La variation de longueur au temps t sera:

La variation relative de longueur est généralement désignée par ε et a pour expression:

Δl(t) est obtenu en faisant la moyenne sur les 3 éprouvettes issues du même moule. Lorsque les éprouvettes sont conservées dans l‟air, Δl(t) est généralement négatif et l‟on parle alors de retrait de l‟éprouvette. Lorsque l‟éprouvette est conservée dans l‟eau, Δl(t) peut être positif: il y a alors gonflement.

Présentation du chapitre 6 Ce chapitre traite du béton. Après une présentation de ses constituants, de sa mise en oeuvre, de ses avantages et de ses inconvénients, nous verrons comment il peut être classifié suivant sa masse volumique ou la nature du liant. La section 6.3 présentera brièvement comment sélectionner les éléments nécessaires à la composition du béton. La composition proprement dite sera abordée dans la section 6.4. Les sections 6.5 et 6.6 aborderont respectivement les caractéristiques principales du béton frais et du béton durcissant. La section 6.7 détaillera les différents types de déformation que peut subir le béton. Finalement, vous pourrez expérimenter et mesurer vous-même en laboratoire ces caractéristiques en suivant la description des essais de la section Expériences.

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La partie exercices vous permettra de tester vos connaissances théoriques sur le béton.

Sommaire du chapitre 6 6.1 Introduction 6.2 Classification 6.3 Sélection des éléments 6.4 Etude de la composition 6.5 Caractéristiques principales du béton frais 6.6 Caractéristiques principales du béton durcissant 6.6 Caractéristiques principales du béton durcissant 6.7 Les déformations du béton Expériences

6.1 Introduction Le béton est un matériau composite aggloméré constitué de granulats durs de diverses dimensions collées entre eux par un liant. Dans les bétons courants, les granulats sont des grains de pierre, sable, gravier, cailloux et le liant est un ciment, généralement un ciment portland. Les composants sont très différents: leurs masses volumiques vont, dans les bétons courants de 1 (eau) à 3 (ciment) t/m3. Si le type de liant utilisé n'est pas un ciment, on parle alors, selon le liant utilisé, de béton de résine, de béton d'hydrocarboné, de béton d'argile, etc.

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Fig 6.1.1 : La différence entre le béton et le mortier. Les différents granulats forment le squelette granulaire du mortier ou du béton. Le ciment, l'eau et les adjuvants forment la pâte liante. Lorsqu'il y a pas de squelette granulaire, on parle de "pâte de ciment". La pâte est un élément unique et actif du béton enrobant les granulats. L'objectif est de remplir les vides existants entre les grains. La pâte joue le rôle de lubrifiant et de colle. Dans le béton où une très grande compacité est recherchée (béton HP par exemple), la dimension des éléments les plus fins peut descendre en dessous de 0,1 mm (fillers, fumée de silice). De même les granulats très légers ont des masses volumiques inférieures à 100 kg/m3. Ordre de grandeur des proportions des constituants d'un béton courant, présentés dans le tableau ci-dessous. Tableau 6.1.1: La composition des constituants de béton en poids et en volume

Les divers stades de fabrication et de vie du béton CONSTITUANTS D'UN BETON :

Fig 6.1.2: Les constituants du béton (Fabrication du béton frais) Page 99

MISE EN OEUVRE :

fig 6.1.3: Transport et mise en place le béton frais Toutes les opérations de mise en oeuvre sont importantes si l'on veut obtenir un béton dense de qualité homogène. DURCISSEMENT :

Fig 6.1.4: Durcissement finition La condition favorable pour le durcissement d'un béton:   

l'humidité la température supérieure à 50 °C. le calme pendant la période de cure (absence de sollicitation d'ordre mécanique ou physique). VEILLISSEMENT :

Fig 6.1.5: Détermination, exploitation et destruction Pour être durable, un béton doit:   

être bien composé. correctement mis en oeuvre. protégé des causes possibles d'altération par des dispositions constructives adéquates.

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Principaux avantages et inconvénients du béton Avantages du béton:     

 

Il est peu coûteux, facile à fabriquer et nécessite peu d'entretien. Il épouse toutes les formes qui lui sont données. Des modifications et adaptations du projet sur le chantier sont faciles à effectuer. Il devient solide comme de la pierre. Correctement utilisé, il dure des millénaires. Il résiste bien au feu et aux actions mécaniques usuelles. Associé à des armatures en acier, il acquiert des propriétés nouvelles qui en font un matériau de construction aux possibilités immenses (béton armé, béton précontraint). Il convient aux constructions monolithiques. Les assemblages sont faciles à réaliser dans le cas de béton coulé sur place. Dans la plupart des cas, les dimensions des ouvrages et éléments d'ouvrage en béton sont suffisants pour ne pas poser de problème délicat de stabilité. Les ressources nécessaires pour sa fabrication existent dans de nombreux pays en quantités presque illimitées. Il exige peu énergie pour sa fabrication. Inconvenients du béton: Les principaux inconvénients du béton ont pu être éliminés grâce à son association à des armatures en acier ou à l'utilisation de la précontrainte. De toutes façons, il reste les quelques inconvénients suivants:

  

son poids propre élevé (densité de 2,4 environ qui peut être réduite à 1,8 dans le cas de bétons légers de structure et à moins de 1,0 dans le cas de béton légers d'isolation) sa faible isolation thermique (elle peut être facilement améliorée en ajoutant une couche de produit isolant ou en utilisant des béton légers spéciaux) le coût élevé entraîné par la destruction du béton en cas de modification d'un ouvrage.

6.2 Classification du béton Le béton fait partie de notre cadre de vie. il a mérité sa place par sa caractéristique de résistance, ses propriétés en matière thermique, sa résistance au feu, son isolation phonique, son aptitude au vieillissement, ainsi que par la diversité qu'il permet dans les formes, les couleurs et les aspects. Le béton utilisé dans le bâtiment, ainsi que dans les travaux publics comprend plusieurs catégories. En général le béton peut être classer en 4 groupes, selon la masse volumique:    

Béton très lourd: > 2500 kg/m3. Béton lourd (béton courant): 1800 - 2500 kg/m3. Béton léger: 500 - 1800 kg/m3. Béton très léger: < 500 kg/m3. Le béton courant peut aussi être classer en fonction de la nature des liants:

   

Béton de ciment (le ciment), Béton silicate (la chaux), Béton de gypse (le gypse) et Béton asphalte. Le béton peut varier en fonction de la nature des granulats, des adjuvants, des colorants, des traitements de surface et peuvent ainsi s‟adapter aux exigences de chaque réalisation, par ses performances et par son aspect. a) Les bétons courants sont les plus utilisés, aussi bien dans le bâtiment qu'en travaux publics. Ils présentent une masse volumique de 2003 kg/m3 environ. Ils peuvent être armés ou non, et lorsqu'ils sont très sollicités en flexion, précontraints. Page 101

b) Les bétons lourds, dont les masses volumiques peuvent atteindre 6000 kg/m 3 servent, entre autres, pour la protection contre les rayons radioactifs. c) Les bétons de granulats légers, dont la résistance peut être élevée, sont employés dans le bâtiment, pour les plates-formes offshores ou les ponts. d) Les bétons cellulaires (bétons très légers) dont les masses volumiques sont inférieures de 500 kg/m 3. Ils sont utilisés dans le bâtiment, pour répondre aux problèmes d'isolation. e) Les bétons de fibres, plus récents, correspondent à des usages très variés: dallages, éléments décoratifs, mobilier urbain. La norme ENV 206 classes les bétons en fonction de leur résistance caractéristique à la compression conformément au tableau 6.1. Dans ce tableau fckcyl est la résistance caractéristique mesurée sur cylindres (c‟est cette résistance qui correspond à la résistance caractéristique à laquelle il est fait référence dans l‟Eurocode 2) ; f ckcube est la résistance caractéristique mesurée sur cubes. Les valeurs soulignées sont les valeurs recommandées. Tableau 6.3: Classes de résistance du béton

6.3 Sélection les éléments pour béton Le béton est composé de granulats, de ciment, d ‟eau et éventuellement d' adjuvants. Parmi les quatre constituants, les granulats jouent un rôle important, d‟une part car ils forment le squelette et présentent, dans les cas usuels, environ 80 % du poids total du béton et d‟autre part car au point de vue économique, ils permettent de diminuer la quantité de liant qui est le plus cher. En plus, du point de vue technique, ils augmentent la stabilité dimensionnelle (retrait, fluage) et ils sont plus résistants que la pâte de ciment. Les granulats utilisés dans les travaux de génie civil doivent répondre à des impératifs de qualité et des caractéristiques propres à chaque usage.

Qualités exigées des granulats Les granulats utilisés pour la fabrication des bétons doivent: a) être stables et durables et donc résister:

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Pour remplir ces conditions, il suffit en général de choisir des granulats compacts (ou peu poreux) et non réactifs avec le ciment. b) posséder une certaine résistance et dureté:

c) être propre:

d) donner un mélange compact, ce qui nécessite:

6.4 Etude de la composition du béton En général il n‟existe pas de méthode de composition du béton qui soit universellement reconnue comme étant la meilleure. La composition du béton est toujours le résultat d‟un compromis entre une série d‟exigences généralement contradictoires. De nombreuses méthodes de composition du béton plus ou moins compliquées et ingénieuses ont été élaborées. On notera qu‟une étude de composition de béton doit toujours être contrôlée expérimentalement et qu‟une étude effectuée en laboratoire doit généralement être adaptée ultérieurement aux conditions réelles du chantier. Une méthode de composition du béton pourra être considérée comme satisfaisante si elle permet de réaliser un béton répondant aux exigences suivantes :  

Le béton doit présenter, après durcissement, une certaine résistance à la compression. Le béton frais doit pouvoir facilement être mis en oeuvre avec les moyens et méthodes utilisées sur le chantier. Page 103

 

Le béton doit présenter un faible retrait et un fluage peu important. Le coût du béton doit rester le plus bas possible. Dans le passé, pour la composition du béton, on prescrivait des proportions théoriques de ciment, d‟agrégat fin et d‟agrégat grossier. Mais l‟élaboration des ciments ayant fait des progrès considérables, de nombreux chercheurs ont exprimé des formules en rapport avec les qualités recherchées:

   

minimum de vides internes, déterminant une résistance élevée; bonne étanchéité améliorant la durabilité résistance chimique; résistance aux agents extérieurs tels que le gel, l‟abrasion, la dessiccation. Sur un petit chantier où l‟on fabrique artisanalement et souvent bien son béton l‟on utilise le vieux principe: 2/3 de gros éléments et 1/3 d‟éléments fins, soit 800 litres de gravillons et 400 litres de sable par mètre cube de béton pour 350 à 400 kg de ciment. La quantité d‟eau de gâchage varie trop souvent au gré du savoir-faire du maçon, la nature de ciment, l‟humidité du granulat passant après la consistance du béton à obtenir. Le béton peut varier en fonction de la nature des granulats, des adjuvants, des colorants, des traitements de surface, et peut ainsi s‟adapter aux exigences de chaque réalisation, par ces performances et par son aspect. La composition d‟un béton et le dosage de ses constituants sont fortement influencés par l‟emploi auquel est destiné le béton et par les moyens de mise en oeuvre utilisés. Dans la composition d‟un béton,les deux relations importantes suivantes interviennent:



La somme des poids des constituants de 1 m3 de béton fini est égal au poids de 1 m3 de béton fini. Si le ciment (C), l‟eau (E) et les granulats (Gi) sont les poids des constituants en kg par m3 de béton fini et Δ. la densité du béton en place, on a :



Le volume occupé par les constituants de 1 m3 de béton est égal à 1 m3. Si (C), (E) et (Gi) sont les volumes absolus des constituants en litres par m3 de béton fini, on a :

Il est avantageux d‟écrire ces deux relations sous forme tabulaire :

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Tableau 6.4.2: Le dosage des constituants de béton en poids et en volumes absolus

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Essai de gâchage  

Béton frais : mesure Δ (contrôle des dosages effectifs) mesure plasticité (contrôle de la consistance) mesure teneur en air (contrôle des vides) Fabrication éprouvette (contrôle de β moyen) Béton durci: mesure Δ, mesure β cube, évolution scléromètre, évolution essai gel, perméabilité, essais spéciaux...

Corrections En fonction des observations, des mesures faites lors de l‟essai de gâchage et des résistances mécaniques obtenues, il sera nécessaire d‟effectuer des corrections. a) Consistance : Lors de l‟essai de gâchage, il est recommandé de ne pas ajouter tout de suite la quantité d‟eau totale E prévue. Il est préférable d‟ajouter seulement 95 % de E, de mesurer la consistance, puis d‟ajouter de l‟eau jusqu‟à obtention de la consistance prescrite. b) Dosage en ciment : Si le dosage en ciment effectivement réalisé est faux, on devra le corriger. S‟il faut rajouter (ou enlever) un poids ΔC de ciment pour obtenir le dosage désiré, on devra enlever (ou rajouter) un volume absolu équivalent de sable, soit un poids ΔC égal à :

Si ΔC est important, il faudra aussi corriger la quantité d‟eau. c) Résistances mécaniques : Si les résistances mécaniques sont insuffisantes, il faudra avoir recours à l‟une ou plusieurs des possibilités suivantes :   

Augmenter le dosage en ciment (au-delà de 400 kg/m3, une augmentation de dosage en ciment n‟a plus qu‟une très faible influence sur l‟accroissement de résistance). Diminuer le dosage en eau sans changer la granulométrie. Corriger la granulométrie et réduire la quantité d‟eau.

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  

Utiliser un autre type de granulats. Utiliser un adjuvant et réduire la quantité d‟eau. Utiliser un ciment à durcissement plus rapide. On devra en tous cas toujours veiller à ce que la consistance du béton permette une mise en oeuvre correcte.

6.5 Caractéristiques principales du béton frais La caractéristique essentielle du béton frais est l'ouvrabilité, qui conditionne non seulement sa mise en place pour le remplissage parfait du coffrage et du ferraillage, mais également ses performances à l'état durci. Il existe un très grand nombre d'appareils de mesure de l'ouvrabilité du béton reposant sur des principes différents. Certains mesurent une compacité, d'autres un temps d'écoulement ou encore utilisent l'énergie potentielle du béton ou nécessitent un apport d'énergie extérieur. On comprend qu'il est difficile de convenir d'un tel appareil tenant compte de tous les bétons possibles pour tous les usages et qui tiennent compte aussi des différents facteurs de l'ouvrabilité. Certains appareils sont utilisés à la fois par les laboratoires et par les chantiers. La distinction proposée est donc parfois assez artificielle, sauf dans le cas d'appareillage très élaboré.

6.5.1. L'ouvrabilité du béton frais. Il existe de nombreux essais et tests divers permettant la mesure de certaines caractéristiques dont dépend l'ouvrabilité. On n'en citera que quelques-uns qui sont les plus couramment utilisés dans la pratique.

Affaissement au cône d'Abrams. Cet essai (slump-test) est incontestablement un des plus simples et des plus fréquemment utilisés, car il est très facile à mettre en œuvre. Il ne nécessite qu'un matériel peu coûteux et peut être effectué directement sur chantier par un personnel non hautement qualifié mais ayant reçu simplement les instructions nécessaires au cours de quelques séances de démonstration. L'appareillage est complètement décrit dans la norme NF P 18-451 et est schématisé sur la figure 6.5.1. Il se compose de 4 éléments: un moule tronconique sans fond de 30 cm de haut, de 20 cm de diamètre en sa partie inférieure et de 10 cm de diamètre en sa partie supérieure; une plaque d'appui; une tige de piquage; un portique de mesure.

Fig. 6.5.1: Mesure de l'affaissement au cône d'Abrams Page 107

Les mesures sont évidemment quelques peu dispersées et il ne faut pas accorder à cet essai un caractère trop rigoureux, mais on peut admettre qu'il caractérise bien la consistance d'un béton et permet le classement approximatif indiqué au tableau 6.5.1 Tableau 6.5.1 : Appréciation de la consistance en fonction de l'affaissement au cône

Malheureusement, cet essai ne convient pas pour tester les bétons qui seraient encore plus fermes, plus secs qu'un béton donnant un affaissement presque nul. Dans ce cas-là, il convient de déterminer la consistance du béton frais par une autre méthode, qui s'appelle l'essai Vébé, schématisé sur la figure 6.5.2.

Fig. 6.5.2: Mesure de la consistance (Essai vébé)

Etalement sur table (flow-test) L'essai d'étalement sur table (Flow-test) consiste à utiliser une table à chocs Fig. 6.5.2 comprenant un plateau métallique animé d'un mouvement vertical. Un moule tronconique disposé sur cette table et du matériau à étudier (mortier ou béton).

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Après arasement et démoulage (en soulevant le moule), on donne à la table, à l'aide d'une manivelle, quinze chocs en quinze secondes (hauteur de chute = 12,5 mm). Le matériau s'étale sous forme d'une galette dont on mesure les deux diamètres perpendiculaires. L'étalement (en %) est donné par la formule:

Fig. 6.5.2: Mesure de l'affaissement sur table C'est un essai très simple utilisable sur mortier ou sur béton (moules et tables de dimensions différentes), aussi bien en laboratoire que sur les chantiers (il est dans ce cas, très utilisé en Allemagne). On peut pour le béton admettre les valeurs données dans le tableau 6.5.1 Tableau 6.5.1: Les valeurs d'étalement à la table

6.5.2. Résistance du béton frais. La résistance du béton frais est faible, mais elle intéresse plus particulièrement les fabricants pour le démoulage immédiat (avant prise du ciment) d'éléments de grande série. À la suite d'études faites sur ce sujet, il semble que: 

le rapport optimal E/C est voisin de 0,40 (béton plutôt sec),

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  

le pourcentage optimal est d'environ 0,38 (soit : G/S = 2,6 valeur élevée), les granulats concassés donnent des résistances plus élevées que les granulats roulés, la fréquence de la vibration est prépondérante (résistance triplée quand on passe de 3000 à 6000 périodes par minute).

Fig. 6.5.3: Résistance du béton frais La résistance en compression peut atteindre 0,3 à 0,4 MPa tandis que celle en traction ne dépasse guère 1/100 e de ces valeurs, soit 0,004 MPa.

6.6 Caractéristiques principales du béton durcissant. La caractéristique essentielle du béton durci est la résistance mécanique en compression à un âge donné (28 jours). Le béton est un matériau travaillant bien en compression, dont la connaissance de ses propriétés mécaniques est indispensable pour le calcul du dimensionnement des ouvrages. Lorsqu'il est soumis à l'action d'une charge rapidement croissante, le béton se comporte comme un matériau fragile. D'une part, sa rupture n'est pas précédée de déformations importantes et, d'autre part, sa résistance à la traction est beaucoup plus faible que sa résistance à la compression. On se préoccupe assez peu de sa durabilité, de son imperméabilité. Très souvent un béton de résistances mécaniques élevées est durable bien que l'on puisse confectionner avec un ciment très performant un béton sous-dosé, peu étanche, de durabilité limitée, mais possédant cependant les résistances en compression exigées. On verra que la résistance du béton dépend d'un grand nombre de paramètres : le type et le dosage des matériaux utilisés, le degré et la condition de réalisation etc. Par ailleurs, la résistance du béton est fonction d'une quantité de facteurs autres que la classe de ciment et qui sont à contrôler et à surveiller dès le choix de la qualité des granulats et tout au long de la chaîne de bétonnage. La résistance d'un béton est une notion toute relative et elle dépend de la méthode d'essai utilisée (comprenant la forme des éprouvettes). Le tableau 6.6.1 ci-dessous indique les différentes catégories de béton avec les valeurs des résistances caractéristiques auxquelles elles correspondent, ces valeurs étant données pour les résultats obtenus sur cylindres et sur cubes, plusieurs pays de la CEE utilisant les cubes pour le contrôle des résistances à la compression.

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tableau 6.6.1 : Les résistances caractéristiques des bétons

6.6.1 La résistance en compression La résistance en compression à 28 jours est désignée par fc28. Elle se mesure par compression axiale de cylindres droits de révolution et d'une hauteur double de leur diamètre. Le cylindre le plus couramment employé est le cylindre de 16 (d = 15,96 cm) dont la section est de 200 cm2. La normalisation européenne indique comme dimension des cylindres d = 15 cm de H = 30 cm. Elle varie suivant la taille des éprouvettes essayées. Plus celles-ci sont petites et plus les résistances sont élevées. La résistance sur cylindre d'élancement 2 (par exemple diamètre de 16 cm, hauteur de 32 cm) est plus faible de l'ordre de 20% que la résistance sur cubes de 20 cm (Fig. 6.6.1).

Fig. 6.6.1 : Les moules cylindriques, cubiques et les éprouvettes pour mesurer la résistance en compression Le béton de l'ouvrage a des résistances différentes de celles du même béton essayé sur éprouvettes d'essai normalisés (il y a l'effet de masse et une hydratation différente du fait des évolutions des températures elles-mêmes différentes). La résistance en compression est donc à associer à la méthode d'essai (ou à la référence à la norme utilisée) et à l'échéance fixée.

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Fig. 6.6.2: Variations des résistances en compression d'un béton en fonction de la forme et des dimensions des éprouvettes

6.6.2 La résistance en traction Généralement le béton est un matériau travaillant bien en compression, mais on a parfois besoin de connaître la résistance en traction, en flexion, au cisaillement. La résistance en traction à 28 jours est désignée par f t28.

La résistance en traction - flexion Les essais les plus courants sont des essais de traction par flexion. Ils s'effectuent en général sur des éprouvettes prismatiques d'élancement 4, reposant sur deux appuis (Fig.6.6.2):  

soit sous charge concentrée unique appliquée au milieu de l'éprouvette (moment maximal au centre). soit sous deux charges concentrées, symétriques, égales, appliquées au tiers de la portée (moment maximal constant entre les deux charges (Fig.6.6.2.A)).

Fig. 6.6.3: Différents essais sur les résistances d'un béton en traction

La résistance en traction par fendage

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L'essai consiste à écraser un cylindre de béton suivant deux génératrices opposées entre les plateaux d'une presse. Cet essai est souvent appelé "Essai Brésilien". Si P est la charge de compression maximale produisant l'éclatement du cylindre par mise en traction du diamètre vertical, la résistance en traction sera :

avec : j = age du béton (en jours) au moment de l'essai ; D et L = diamètre et longueur du cylindre.

La résistance en traction directe La mesure se fait par mise en traction de cylindres identiques à celle de la résistance en traction par fendage, mais l'essai est assez délicat à réaliser car il nécessite, après sciage des extrémités, le collage de têtes de traction parfaitement centrées, l'opération devant avoir lieu sans aucun effort de flexion parasite.

6.7 La déformation des bétons. La résistance mécanique et la déformation sont des caractéristiques importantes du béton, car elles jouent un grand rôle non pas seulement pour la stabilité, mais aussi la durabilité des ouvrages. Lorsque le béton est soumis à l‟action d‟une charge rapidement croissante, il se compose comme un matériau fragile. D‟une part, sa rupture n‟est pas précédée de déformations importantes et d‟autre part, sa résistance à la traction est beaucoup plus faible que sa résistance à la compression. La résistance à la traction s‟annule même complètement si des fissures de retrait se sont développées. Le choix judicieux des matériaux, une mise en oeuvre correcte, l‟adoption de dispositions constructives appropriées jouent un rôle essentiel dans l‟art de construire. Toutefois, comme une partie importante de ses activités est consacrée aux problèmes de dimensionnement des constructions, l‟ingénieur attache une importance particulière aux caractéristiques de résistance mécanique et de déformation des matériaux, car leur connaissance lui est indispensable pour réaliser des constructions à la fois sûres et économiques. Dès la fin de la mise en oeuvre, le béton est soumis à des déformations, même en absence de charges.

6.7.1. Le retrait C‟est la diminution de longueur d‟un élément de béton. On l‟assimileà l‟effet d‟un abaissement de la température qui entraîne un raccourcissement.

Causes et constatation

Remèdes

Le retrait avant–prise est causé par l‟évaporation d‟une partie de l‟eau que contient le béton. Des fissures peuvent s‟ensuivre car le béton se trouve étiré dans sa masse.

Ils s‟agit de s‟opposer au départ brutal de l‟eau par : - la protection contre la dessiccation. - l‟utilisation d‟adjuvants ou de produits de cure.

Après la prise, il se produit : - Le retrait thermique dû au retour du béton à la

Il faut éviter de surdoser en ciment. Les ciments de classe 45 accusent moins de retrait que ceux de classe 55 de Page 113

température ambiante après dissipation de la chaleur de prise du ciment. On constate une légère diminution de longueur.

durcissement plus rapide.

- Le retrait hydraulique est dû à une diminution de volume résultant de l‟hydratation et du durcissement de la pâte de ciment. Le retrait croit avec la finesse de ciment et le dosage.

Le béton aura d‟autant moins de retrait qu‟il sera plus compact ; ce qui dépend de la répartition granulaire, car un excès d‟éléments fins favorise le retrait ainsi que les impuretés (argiles, limons).

Estimation du retrait : Δl = 3 ‰ x L. Δl – est le raccourcissement. L – est la longueur de l‟élément. Si une corniche en béton armé a une longueur de 15 cm, le retrait est de l‟ordre de: 3 ‰ x 15000 cm = 0,45 cm.

6.7.2. La dilatation Puisque le coefficient de dilatation thermique du béton est évalué à 1 x 10-5, pour une variation de ± 20 °C on obtient: Δl = ± 2 ‰ x longueur. Pour chaînage en B.A. de 20 m de longueur et un écart de température de 20 °C, on a une dilatation de : 2 ‰ x 2000 cm = 0,4 cm.

6.7.3. Le fluage Lorsqu‟il est soumis à l‟action d‟une charge de longue durée, le béton se comporte comme un matériau VISCOELASTIQUE. La déformation instantanée qu‟il subit au moment de l‟application de la charge est suivie d‟une déformation lente ou différée qui se stabilise après quelques années. C‟est ce que l‟on appelle le fluage (Fig. 6.7.1). Le fluage est pratiquement complet au bout de 3 ans. Au bout d‟un mois, les 40 % de la déformation de fluage sont effectués et au bout de six mois, les 80%. Estimation de la déformation de fluage: Δl = 4 à 5 ‰ longueur. Cette déformation varie surtout avec la contrainte moyenne permanente imposée au matériau.

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Fig. 6.7.1 : Chargement et déchargement. (Déformation réactive de retour).

6.7.4. Élasticité du béton Le module d‟élasticité E est défini par le rapport:

Pour les projets courant, on admet: Eij = 11 000 fcj 1/3 (module de déformation longitudinale instantanée du béton) avec f cj = résistance caractéristique à « j » jours. Evj = 3 700 fcj 1/3 (module de déformation différée) avec f cj = 1,1 fc28 . Il s‟ensuit que

Notes : Eij, Evj, fc28, fcj sont exprimés en MPa. Le module d‟électricité de l‟acier est de l‟ordre de : 200 000 N/mm2, soit 2 000 000 daN/cm2.

6.7.5. Effet «Poisson» En compression comme en traction, la déformation longitudinale est aussi accompagnée d‟une déformation transversale. Le coefficient « Poisson » est le rapport :

6.7.6. Mécanisme de la fissuration Deux bétons ayant un même retrait final peuvent se comporter très différemment du point de vue de la fissuration (fig. 6.7.2) : - le béton correspondant à L ne se fissure pas ; - le béton correspondant à L‟ se fissure en I au temps t. Page 115

Fig. 6.7.2 : Le retrait du béton est pris en compte dans la conception des ouvrages (Exemple: joints de retrait des dallages et planchers). Condition de fissuration d’un béton: Le phénomène de retrait étire le béton de telle façon que l‟allongement résultant compense le raccordement imposé par le retrait, si l‟élément était libre de se déformer. Le retrait augmente avec le temps, la tension interne aussi: si elle dépasse la limite de rupture du béton, la fissuration se produit.

Expériences 1. Essai d'élément sur table-Flow test (ISO 9812) Cet essai est particulièrement adapté au béton très fluide, fortement dosé en superplastifiant. Le diamètre du plus gros granulat ne doit pas dépasser 40 mm.

Principe de l'essai La consistance est appréciée dans cet essai par l'étalement que connaît un cône de béton soumis à son propre poids et à une série de secousses. Plus l'étalement est grand et plus le béton est réputé fluide.

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Matériel nécessaire et principe de l'essai Le matériel nécessaire est décrit dans la norme ISO 9812 (norme expérimentale) et schématisé sur la figure 6.10.1. Il consiste en :   

un plateau carré de 70 cm de côté permettant d'imprimer des secousses au béton qui sera moulé dans son centre ;le plateau de bois est recouvert d'une feuille métallique de 2 mm d'épaisseur. Il est articulé sur un de ses côtés ; un moule tronconique de 20 cm de haut, de 20 cm de diamètre à sa base et de 13 cm à sa partie supérieure ; un pilon en bois de section carré 4 cm × 4 cm.

Fig. 6.10.1 : Essai d'étalement sur table

Conduite de l'essai L'essai consiste à remplir avec le béton étudié le moule tronconique placé au centre du plateau carré. Le béton est mis en place en 2 couches et compacté par 10 coups au moyen du pilon. Après avoir arasé le béton avec une truelle, le moule est retiré verticalement. Le plateau est alors soulevé de 4 cm par un côté (le côté opposé étant maintenu par l'articulation) et relâché en chute libre 15 fois de suite en 30 secondes. Si le béton forme une galette approximativement circulaire et sans ségrégation, l'essai est valable. La moyenne des mesures du diamètre de la galette dans deux directions parallèles au côté du plateau définit la consistance mesurée sur la table à secousse. Elle est arrondie au cm le plus proche.

Classe d'étalement sur table La norme ENV 206 définit 4 classes d'étalement sur table :

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2. Essai Vébé (ISO 4110) Cet essai est particulièrement utile pour tester les bétons de faible ouvrabilité. La dimension maximale des granulats ne doit pas dépasser 40 mm.

Principe de l’essai Dans cet essai, la consistance est définie par le temps que met un cône de béton à remplir un volume connu sous l‟effet d‟une vibration donnée. Plus ce temps est court et plus le béton sera considéré comme fluide.

Matériel nécessaire L‟appareillage est entièrement décrit dans la norme ISO 4110. Il est constitué d‟un consistomètre schématisé sur la figure 6.8.1 et comportant les éléments suivants:     

un récipient cylindrique de 24 cm de diamètre et de 20 cm de hauteur; un cône d‟Abrams; un disque horizontal transparent de 23 cm de diamètre; une table vibrante équipée d‟un vibrateur fonctionnant à la fréquence de 3000 vibrations par minute et conférant à la table des mouvements d‟une amplitude verticale de ± 0.5mm environ; une tige de piquage.

Fig.6.8.1: Essai vébé Page 118

Conduite de l’essai Le cône d‟Abrams est fixé à l‟intérieur du récipient cylindrique (cf. figure 6.8.1). Le béton est mis en place dans ce cône. Le cône d‟Abrams est alors soulevé et, à ce stade de l‟essai, il est donc possible de mesurer l‟affaissement au cône comme indiqué précédemment. L‟essai se poursuit ensuite par la mise en vibration de la table durant un temps t tel que la face supérieure du béton soit entièrement aplanie et au contact du disque transparent qui accompagne la descente du béton pendant le compactage.

Classe de consistance Vébé Le temps t exprimé en secondes définit la consistance Vébé . 5 classes de consistance Vébé sont définies par la norme ENV 206 en fonction du temps t:

3. Essais de consistance Maniabilité des bétons Avant d‟être un matériau présentant les qualité mécaniques d‟un solide, le béton a été mis en place dans des coffrages. Cette opération doit pouvoir se faire avec le maximum de facilité. D‟abord , pour raccourcir le temps de travail nécessaire à la mise en place; ensuite, pour éviter de découvrir au moment du coffrage , des désordres difficilement réparables voire irréparables, conséquences de la faible maniabilité du matériau. On dira qu‟un béton est d‟autant plus maniable ( ou ouvrable ) qu‟il est d‟autant plus aisé à mettre en place dans les coffrages.

Objectif des essais de consistance Le problème est de quantifier cette maniabilité ( ou cette ouvrabilité ) qui est une qualité, évolutive dans le temps, du béton avant prise. C‟est le but des essais de consistance qui classent les bétons suivant une échelle de fluidité croissante: ferme , plastique, fluide. Ces essais sont très divers. Nous ne décrirons ici que ceux qui sont les plus utilisés. Quatre des essais décrits ci-dessous sont cités par la norme ENV 206 qui définit pour chacun d‟eux des classes de consistance numérotée de 0 ou 1 jusqu‟à 4 ( du béton le plus ferme au plus fluide ). Les classes de consistance ne sont pas directement liées entre elles ( la classe S3 de l„essai d‟affaissement n‟est pas forcément équivalente à la classe V3 de l‟essai Vébé ).

3.1 Essai d’affaissement au cône d’Abrams slump test (NF P 18-451) C‟est l‟essai le plus couramment utilisé car il est très simple à mettre en œuvre. Il est utilisable tant que la dimension maximale des granulats ne dépasse pas 40 mm.

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Principe de l’essai Il s‟agit de constater l‟affaissement d‟un cône de béton sous l‟ effet de son propre poids. Plus cet affaissement sera grand et plus le béton sera réputé fluide.

Matériel nécessaire L‟appareillage est complètement décrit dans la norme NF P 18-451 et est schématisé sur la figure 6.7.1; il se compose de 4 éléments:    

un moule tronconique sans fond de 30 cm de haut, de 20 cm de diamètre en sa partie inférieure et de 10 cm de diamètre en sa partie supérieure; une plaque d‟appui une tige de piquage un portique de mesure.

Conduite de l’essai La plaque d‟appui est légèrement humidifiée et le moule légèrement huilé y est fixé. Le béton est introduit dans le moule en 3 couches d‟égales hauteurs qui seront mises en place au moyen de la tige de piquage actionnée 25 fois par couche (la tige doit pénétrer la couche immédiatement inférieure). Après avoir arasé en roulant la tige de piquage sur le bord supérieure du moule, le démoulage s'opère en soulevant le moule avec précaution. Le béton n‟étant plus maintenu s‟affaisse plus ou moins suivant sa consistance. Celle-ci est caractérisée par cet affaissement, noté A, mesuré grâce au portique et arrondi au centimètre le plus proche. La mesure doit être effectuée sur le point le plus haut du béton et dans la minute qui suit le démoulage.

Fig. 6.7.1: Mesure de l’affaissement au cône d’Abrams

Classe d’affaissement La norme ENV 206 définit 4 classes de consistance, en fonction de l‟affaissement mesuré. Elles sont indiquées sur la figure 6.7.2. Sur cette figure, les rectangles blancs représentent la variation possible d‟affaissement correspondant à la classe considérée. Les classes sont notées S1, S2, S3,S4, et appelée classes d‟affaissement. S rappelle ici l'initiale du nom de l‟essai en anglais: slump test.

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La norme NF P 18 – 305 définit les mêmes classes d‟affaissement, mais les note F, P, TP et Fl ( Ferme, Plastique, Très Plastique et Fluide ).

Fig. 6.7.2: Classes de consistance mesurées au cône d’Abrams

Limites d’information de l’essai d’affaissement Grâce aux superplastifiants, on peut réaliser aujourd‟hui des bétons très fluides dont l‟affaissement au cône dépasse les 25 cm. Le cône ne permet pas de caractériser de manière satisfaisante de telles consistance. Dans ce cas, il serait préférable d‟utiliser l‟essai d‟étalement sur table. D‟autre part, l‟affaissement ne dit pas tout. Supposons deux bétons dont la fluidité serait obtenue pour le premier par un dosage en eau important et pour le second par un dosage élevé de superplastifiant . Ces deux bétons peuvent présenter un même affaissement de 25 cm au cône comme représenté sur la figure 6.7.3; mais le premier présentera une forte ségrégabilité, alors que le second, grâce â son faible dosage en eau, gardera sa cohésion tout en ayant une grande fluidité. On pourra dire de ce béton qu‟il présente une très bonne maniabilité; ce qui ne sera pas le cas du premier qui ne pourra pas être mis en place correctement.

Fig.6.7.3:Example d’un même affaissement ne signifiant pas la même maniabilité D‟une manière générale, il paraît difficile d‟obtenir un affaissement supérieur de 15 cm avec des bétons non adjuvantés sans rencontrer des problèmes de ségrégation. D‟autre part, il n‟est pas possible d‟attribuer le même comportement à un béton non adjuvanté présentant un affaissement au cône de 10 cm et un béton très dosé en superplastifiant présentant un affaissement équivalent. Le premier béton sera facile à mettre en place, on dira qu‟il est maniable, alors que le béton adjuvanté sera très visqueux et d‟un maniement difficile. C‟est pourquoi, pour des bétons très fortement dosés en superplastifiant, il paraît souhaitable de travailler avec des affaissement au moins égaux à 15 cm.

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De tout cela il ressort que la consistance mesurée par l‟essai d‟affaissement au cône ne suffit pas pour caractériser la maniabilité d‟un béton et qu‟il faut toujours préciser la manière dont cet affaissement a été obtenu: notamment le dosage superplastifiant.

4. Essai de compactage (ISO 4111) Dans cet essai, la dimension maximale des granulats ne doit pas dépasser 40 mm.

Principe de l'essai La consistance est appréciée ici par le rapport entre un volume donné de béton avant compactage et après compactage. Ce rapport est d'autant plus faible que le béton est plus fluide.

Matériel nécessaire Il est écrit dans la norme ISO 4111. Il se compose   

d'un récipient parallélépipédique : 20 cm × 20cm × 40cm(cf. figure 6.9.1) d'une truelle rectangulaire. d'un moyen de compactage qui est une aiguille vibrante, de 40mm de diamètre maximal ou une table vibrante.

Fig.6.9.1: Mesure du degré de compactage

Conduite de l'essai La mode opératoire est définit par la norme ISO 4111. L'essai consiste à remplir le récipient de béton. Le remplissage s'effectue avec la truelle en laissant tomber le béton alternativement de chacun des quatre bords supérieurs du récipient. Après avoir été arasé, le béton est compacté, soit au moyen de l'aiguille vibrante, soit au moyen de la table vibrante, jusqu'à ce qu'on ne puisse plus déceler de diminution de volume. Soit s l'affaissement du béton dans le moule mesuré aux quatre coins du récipient. Le degré de compactibilité est exprimé par le rapport :

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Classe de compactage La norme ENV 206 définit 4 classes de compactage en fonction du degré de compactibilité :

5. Résistance 5.1 Confection des éprouvettes Dimension des moules (NFP 18-400) Les résistances sont mesurées sur des éprouvettes cylindriques ou prismatiques dont les moules ont des caractéristiques définies par la norme NFP 18-400 pour laquelle les moules plus fréquemment utilisés sont les moules cylindriques. Leurs dimensions sont indiquées ci-dessous ; elles doivent être choisies en fonction du diamètre maximal des granulats (D) entrant dans la composition du béton.

Tableau 6.5.1: Le format et la dimension des moules

Mise en place et conservation du béton pour les essais d'étude, de convenance ou de contrôle (NF P 18-404) La mise en place dans les moules a lieu par vibration ou par piquage, en fonction des résultats de l'essai d'affaissement et conformément aux normes NF P 18-421, 422, 423. Les moules ayant été munis d'un dispositif s'opposant à l'évaporation, les éprouvettes doivent être conservées sans être déplacées pendant 24 h ±1 h dans un local maintenu à 20°c ±2°c. Après démoulage, les éprouvettes doivent être conservées à même température, dans l'eau ou dans une chambre humide (d'humidité relative supérieure ou égale à 95 %).

Essai d'information (NF P 18-405) Le béton mis en place dans un ouvrage subit un autre mode de conservation que celui des éprouvettes conservées dans la chambre humide. La température et l'humidité relative de l'air sont généralement différentes. Les caractéristiques du béton d'ouvrage ne seront donc pas les mêmes que celles des éprouvettes réalisées lors des essais d'étude, de convenance ou de contrôle. Les essais d'information ont pour but d'évaluer les caractéristiques du béton utilisé pour la confection des éléments Page 123

d'un ouvrage. Le prélèvement de l'échantillon de béton et sa conservation sont décrits par la norme NF P 18-405. Le principe consiste à réaliser des éprouvettes en approchant au plus près les conditions de mise en place dans l'ouvrage. La conservation doit reproduire également les conditions de conservation de l'ouvrage : même date de démoulage, même exposition au vent, à la pluie ou au soleil, etc. Les éprouvettes peuvent également être obtenues par carottage du béton durci : il s'agit de prélever sur l'ouvrage lui-même, avec un outil adapté (le carottier), un échantillon de béton ayant la forme d'une éprouvette (la carotte). Le transport au laboratoire doit être effectué la veille du jour de l'essai.

5.2 Essais de compression (NF P 18-406) Objectif de l'essai L'essai a pour but de connaître la résistance à la compression du béton, qui peut être mesurée en laboratoire sur des éprouvettes. Principe de l'essai Les éprouvettes étudiées sont soumises à une charge croissante jusqu'à la rupture. La résistance à la compression est le rapport entre la charge de rupture et la section transversale de l'éprouvette. Equipement nécessaire  

Une machine d'essai qui est une presse de force et de dimension appropriées à l' éprouvette à tester et répondant aux prescriptions des norme NF P 18-411 et NF P 18-412. Un moyen pour rectifier les extrémités des éprouvettes : surfaçage au soufre, ou disque diamanté.

Rectification des extrémités des éprouvettes Conformément à la norme NF P 18-406, l'essai de compression est effectué sur des éprouvettes cylindriques dont les extrémités ont été préalablement rectifiées. En effet, si les éprouvettes étaient placées telles quelles sur les plateaux de la presse, on ne serait pas assuré de la planéité des surfaces au contact et de leur perpendicularité aux génératrices de l'éprouvette. La rectification consiste donc à rendre ces surfaces planes et perpendiculaires aux génératrices de l'éprouvette. Pour parvenir à ce résultat deux méthodes peuvent être employées : le surfaçage au soufre et la rectification par usinage des extrémités. Le surfaçage au soufre est décrit dans la norme NF P 18-416. Il consiste à munir chaque extrémité de l'éprouvette d'une galette à base de soufre respectant les deux exigences : planéité et perpendicularité aux génératrices. La planéité est assurée de la façon suivante : le mélange soufre, porté à une température de 125°C ±5°C, est liquéfié et versé sur une platine dont le fond a été rectifié (figure 6.5.1). La perpendicularité est obtenue grâce à un dispositif de guidage qui maintient les génératrices de l'éprouvette perpendiculaires au fond rectifié du moule.

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Fig. 6.5.1: Principe du surfaçage au soufre L'éprouvette maintenue par le dispositif de guidage est descendue sur le soufre liquéfié. Quand, après refroidissement, le soufre s'est solidifié, l'éprouvette (à laquelle adhère alors la galette de soufre) est désolidarisée de la platine et il a procédé au surfaçage de la deuxième extrémité. Pour les éprouvettes dont la résistance à la compression ne dépasse pas 50Mpa, le surfaçage peut se faire avec un mélange de 60% (en masse) de fleur de soufre et 40% de sable fin de granularité inférieure à 0,5mm. Au-delà, et jusqu'à 80 Mpa, il faudra utiliser un mélange soufré spécialement conçu pour les Bétons Hautes Performances. Pour des bétons dont la résistance est supérieure, la rectification exigera des moyens matériels plus important : une rectifieuse équipée d'une meule diamantée. L'éprouvette est alors usinée de manière à rendre les extrémités parfaitement perpendiculaires aux génératrices.

conduite de l'essai de rupture L'éprouvette, une fois rectifiée, doit être centrée sur la presse d'essai avec une erreur inférieure à 1% de son diamètre. Pour des éprouvettes 11×22 ou 16×32, cela signifie une précision millimétrique qui ne pourra pas être obtenue sans l'emploi d'un gabarit de centrage prenant appui sur l'éprouvette (et non sur le produit de surfaçage), comme indiqué sur la figure 6.5.2.

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Fig 6.5.2: Example de dispositif de centrage de l'éprouvette sur la presse La mise en charge doit être effectuée à raison de 0,5 Mpa/s avec une tolérance de 0,2 MPa/s. Pour des éprouvettes 11×12 cela signifie une montée en charge de 5KN/s±2KN/s et pour des éprouvettes 16 × 32 de 10 KN/s ±4 KN/s. La charge de rupture, P, est la charge maximale enregistrée au cours de l'essai. Soit S la section orthogonale de l'éprouvette ; la résistance, Fc, est exprimée en Mpa à 0,5Mpa près et a pour expression :

Dans la relation ci-dessus Fc est directement obtenue en Mpa si P est exprimée en méganewton (MN) et S en m 2

particularités de la rupture en compression Pour des résistances supérieures à 60Mpa, et suivant la presse utilisée, la rupture peut être brutale et il est bon d'équiper la presse d'un système de protection pour se protéger des éclats éventuels. En général l'éprouvette rompt de la manière indiquée sur la figure 6.5.3 Dans ce type de rupture, deux cônes apparaissent aux extrémités de l'éprouvette rompue. En effet, la pression exercée par les plateaux de la presse à la jonction avec l'éprouvette gêne les déformations transversales dans cette zone. Dans la partie centrale, la formation transversale est libre ; elle résulte des contraintes de traction (symbolisées par les flèches notées t sur la figure 6.5.3 a) perpendiculaires à la compression (et à la fissuration). Ce sont ces contraintes de traction qui aboutissent dans la zone centrale à la fissuration longitudinale de l'éprouvette, puis à sa ruine. Les zones extrêmes, protégées par le frettage créé par les plateaux, ne sont pas détruites (figure 6.5.3 b).

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Fig. 6.5.3: Mode de rupture des éprouvettes cylindriques en compression Le frettage peut être limité en graissant les zones de jonction plateaux/éprouvettes ou en y interposant des appuis en téflon. La rupture est alors du type de celle indiquée sur la figure 6.5.3 c. Elle se produit pour une charge (P 3) habituellement plus faible que celle obtenue dans le cas général (P 2) : en protégeant ses extrémités de l'éclatement, le frettage permet à l'éprouvette d'encaisser des chargements légèrement plus importants.

6. Mesure la résistance à la traction (NF P 18-408) Objectif de l'essai Le but de l'essai est de connaître la resistance à la traction du beton de l'éprouvette cylindrique.

Principe de l'essai On procède généralement par essai de fendage sur éprouvette cylindrique conformement à la norme NF P 18-408. Dans cet essai, on applique à l'éprouvette un effort de compression induit des contraintes de traction dans le plan passant par ces deux génératrices. La rupture, due à ces contraintes de traction, se produit dans ce plan (figure 6.6.1). Le calcul permet de définir la contrainte de traction correspondant à cette rupture.

Equipement nécessaire - Une presse de force appropriée conforme aux normes NF P 18-411 et NF P 18- 412. - Des bandes de chargement en contreplaqué neuf ayant une section dont les dimensions sont indiquées sur la figure 6.6.1 et une longueur au moins égale à celle de l‟éprouvette. - Des moules cylindriques, pour la confection des éprouvettes, qui ne doivent pas être en carton car de tels moules ne garantissent pas avec suffisamment de précision la rectitude des génératrices.

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Fig. 6.6.1: Dispositif pour l'essai de rupture par fondage.

Conduite de l’essai L‟éprouvette est placée entre les deux plateaux de la presse comme indiqué sur la figure 6.6.1, le contact entre les plateaux et l‟éprouvette se faisant par l‟intermédiaire des deux bandes de contreplaqué. Le centrage de l‟éprouvette doit se faire à 0.5mm près à l‟aide d‟un gabarit de centrage. La vitesse de chargement doit être constante pendant toute la durée de l‟essai et égale à 1,94 kN/s±0,39kN/s pour les cylindres 11×22 et 4,01 kN/s±0,80 kN/s pour les cylindres 16×32 (ce qui correspond à un accroissement de la contrainte de traction de 0,05MPa/s avec une tolérance de +20%). Si h est la hauteur de l‟éprouvette, d son diamètre et P la charge appliquée, la contrainte de rupture vaut :

Dans la relation ci-dessus ft est directement obtenue en MPa si P est exprimée en méga newtons (MN) et d et h en mètres (m). Cette contrainte doit être exprimée à 0,1 MPa près.

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Présentation du chapitre 7 Ce chapitre présentera tout d'abord, à la section 7.1, les différents types de briques, leur mode de fabrication et leur domaine d'emploi. La section 7.2 abordera de façon similaire les blocs de béton. Finalement, la section 7.3 nous parlera de la fabrication du béton frais avant de détailler celle du béton préfabriqué. Si vous souhaitez tester vos connaissances, rendez-vous à la section Exercices.

Sommaire du chapitre 7 7.1 Briques 7.2 Blocs de béton 7.3 Béton préfabriqué

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7.1 BRIQUES Introduction. Les briques sont les produits céramiques, dont les matières premières sont des argiles, avec ou sans additifs. La forme des briques est généralement parallélépipède rectangle. Elles sont couramment utilisées dans la construction des bâtiments et des travaux publics. Par rapport aux autres matériaux, c'est un des plus anciens matériaux de construction. Les briques peuvent se diviser en 3 groupes principaux :

Brique ordinaire: Une brique d'argile est une roche artificielle ayant la forme parallélépipédique rectangle de dimensions bien déterminées. Généralement, on fabrique les briques suivant deux procédés: procédé plastique (l'argile est humectée d'eau de 20 à 25 %) et procédé demi-sèche (l'argile est humectée d'eau de 8 à 12 %. Après moulage et séchage, les briques sont cuites pour qu'elles deviennent assez dures. La cuisson est faite soit dans le four périodique soit dans le four continu.

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En général, les dimensions d'une brique ordinaire sont: 250 x 120 x 5 mm. Selon la technologie de fabrication des briques traditionnelles, il est difficile d'obtenir des briques ayant des dimensions exactement précises, à cause du retrait à l'air et retrait de cuisson. Selon la Norme, les tolérances sur les briques peuvent être calibrées de la manière suivante: ±6 mm sur la longueur; ± 4 mm sur la largeur et ±3 mm sur l'épaisseur. On distingue la masse volumique des briques courantes en quatre groupes (Tableau 7.1)

fig. 7.1: Briques pleines et perforées Tableau 7.1: La classe et la masse volumique les briques courantes.

La capacité d'absorption d'eau d'une brique ne doit pas être inférieure à 8 %. Tableau 7.2: Dimensions et résistances des briques

Brique poreuses: Les briques poreuses peuvent être fabriquées par la technologie traditionnelle en utilisant les argiles ordinaires, auxquelles on ajoute des additions fusibles (sciure de bois, tourbe pulvérisée, charbon pulvérisé). L'emploi des briques poreuses permet de réduire les dépenses de transport et donc le prix des murs. Cependant la résistance d'une brique poreuse étant faible, ce type de briques ne peut pas être utilisé pour construire des murs supportant de fortes charges. Elles seront plutôt employées pour le remplissage des bâtiments à ossature métallique ou béton armé.

Briques d'argiles creuses à perforations:

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Les briques creuses qui comportent au moins quatre conduits non débouchants sont fabriqués par voie demi-sèche. Ces briques doivent avoir les dimensions suivantes: 250 x 120 x 88 ou bien 65. On fabrique les briques à 8 et 18 conduits dont les diamètres sont de 35-45 mm et de 17-18 mm. Les trous de la perforation sont faits soit verticalement dans la proportion de 60 % de la section totale, soit horizontalement avec alvéoles parallèles au lit de pose dans la proportion de 40 % de la section totale (fig. 7.1) On classe les briques creuses en quatre marques: 150, 125, 100 et 75. La capacité d'absorption d'eau d'une brique creuse a la même valeur que pour la brique ordinaire donc > 8 %. La résistance à la flexion est de 20, 18, 16 et 14 kg/cm 2. Toutes les autres prescriptions techniques imposées aux briques creuses sont les mêmes que pour les briques ordinaires.

fig. 7.2: Briques creuses comprimées par voie demi-humide. Caractéristiques et utilisations des briques pleines ou perforées: Elles servent à réaliser:  

des parements extérieurs ou intérieurs décoratifs (appareillages en briques), des murs simples ou doubles enduits ou non. Les briques sont obtenues soit:



par filage (passage de l'argile dans la filière), par pressage (compression de la pâte dans un moule) Qualités requises:

      

Résistance au gel (à 25 cycles de gel et dégel). Peu de dilatation à l'humidité (gonflement). Pas d'éclatements dus à l'expansion de grains de chaux. Peu d'efflorescences (sels) pouvant former des taches. Aspect suivant la destination du produit. Régularisation des coloris et des dimensions.

Principe de fabrication des briques Les briques sont obtenues par cuisson de certaines argiles à une température de environ 1000 C°. Par combinaison chimique à partir de 700 C°, l'argile en perdant son eau, se transforme en terre cuite. L'oxyde de fer des argiles donne la coloration aux briques. En général la fabrication des briques se compose des cinq opérations principales comme indiquées sur le schéma ci-dessous.

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fig. 7.3: Schéma de la fabrication des Briques.

Domaine d'emploi Les briques pleines et les briques creuses sont essentiellement utilisées pour réaliser les murs, les cloisons, les colonnes en brique etc.

La qualité du mur dépend de la qualité de la mise en oeuvre et des dispositions suivantes :    

respecter le sens de la pose (fig. 7.6): cloisons superposées alvéoles superposée, ne pas utiliser de briques cassées ou percer la maçonnerie pour colmater avec du mortier, utiliser du mortier bâtard de chaux et ciment 500 kg de liant par m3 de sable pour les joints, utiliser les éléments spéciaux d'angle, tableau, linteau, chaînage, about de plancher.

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Fig. 7.6: Dispositions des briques MURS RÉALISÉS AVEC LES BRIQUES CREUSES.  o o  o o  o o

murs à simple paroi: non porteurs, porteurs. murs avec cloison de doublage: sans isolant, avec isolant. Types de briques creuses: type C: à faces de pose continue, type R.J. : à rupture de joint (coupure de joint horizontal)

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7.2 Blocs de béton. Introduction En général les blocs de béton peuvent se classer en trois catégories, selon l'importance de la surface des alvéoles:   

blocs pleins sans alvéoles, blocs perforés (section nette > 80% section brute), blocs creux (section nette > 60% section brute).

Fig. 7.2.1: Les blocs de béton. Les blocs de béton non armé (pour mur et cloison), dont la forme est généralement parallélépipédiques, sont fabriqués en usine.

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Lorsqu'ils sont employés pour l'habitation, ils sont généralement enduits ou protégés extérieurement, soit pour contribuer à améliorer certaines caractéristiques physiques du mur (thermique, acoustique, feu), soit pour rattraper les irrégularités de surface afin d'obtenir une surface plane destinée à recevoir ultérieurement un parement décoratif.

Les blocs les plus couramment utilisés sont estampillés d'une marque NF (fig. 7.2.1), qui garantit la fourniture de matériaux de qualité, aux caractéristiques bien définies et identiques. Ils sont dits " de granulats courants " lorsque la masse volumique réelle de leur béton constitutif est supérieure à 1700 kg/m 3, " de granulats légers " autrement.

Fig. 7.2.1: Marquage des blocs Selon le type de produit, la destination et le rôle des blocs dans la construction, sans oublier les règles de l'art (conception, calcul et exécution des maçonneries en blocs de beton: DTU no 20-1), la géométrie des blocs et leurs dimensions varient. On peut citer des formes de blocs, des accessoires permettant de traiter des points singuliers des maçonneries: blocs d'angle, blocs de coupe, blocs à feuillure, blocs d'about, planelle, blocs en L et blocs linteau ... 



 

Classification: d'après leur résistance minimale garantie R, rapportée à la section brute, exprimée en MPa dans l'une des classes de résistance (tableau 7.2.1): 95% de la production doit présenter une résistance au moins égale à la valeur correspondante du tableau. Désignation d'un bloc destiné à être enduit: les dimensions d'appellation d'un bloc, exprimées en cm, sont différentes des dimensions de fabrication qui prennent en compte l'épaisseur moyenne des joints horizontaux (1 cm) et verticaux (0,6 cm). - fabrication: (20 + 0,5) x (19 + 0,4) x (49,4 + 0,5) (cm) - appellation: 20 x 20 x 50 (cm). Exemples de désignation: Bloc en béton de granulats courants, perforés, B 80, 20 x 20 x 50, NF P 14-301, Marque NF. Bloc en béton d'argile expansée, creux, 2 lames d'air, L 25, 1 100 kg/m 3 , 20 x 20 x5 0, NF P 14-304, Marque NF. Tableau 7.2.1: Caractéristiques mécaniques des blocs en béton

Principe de fabrication des blocs de béton Les blocs de béton sont obtenus par pression ou bien par vibration de mélange: ciment + sable + eau et granulats courants ou bien granulats légers. Pour obtenir les blocs de béton avec la dimension la plus précise, les moules utilisés doivent avoir une stabilité suffisante donc ils sont métalliques. Après démoulage, les produits (blocs de béton) doivent être stocker dans un endroit favorable (humidité ~ 95 %), où ils peuvent prendre le durcissement pour ensuite être transporter à la construction. En général, la fabrication des blocs de béton se compose de cinq opérations principales comme indiquer sur le schéma ci-dessous. Page 136

fig. 7.3: Schéma de la fabrication des blocs de béton.

Domaine d'utilisation des blocs de béton En general les blocs de béton sont utilisés dans differents types d'ouvrage surtout pour réaliser les murs et les cloisons de batiments (tableau 7.2.2 et tableau 7.2.3). Tableau 7.2.2: Domaine d'utilisation des blocs en béton de granulats courants

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Tableau 7.2.3: Domaine d'utilisation des blocs en béton de granulats légers

7.3 Béton préfabriqué. Introduction Le béton frais est une sorte de matériaux de construction, dont les constituants sont le ciment, les granulats, l'eau et éventuellement des adjuvants soit liquides, soit en poudre. Dans le béton frais lors de sa fabrication existe aussi l'air, qui joue un rôle non pas seulement sur sa plasticité, mais également sur ses déformations et ses propriétés finales. Les méthodes de fabrication du béton sont adaptées à la nature du chantier et aux types de béton à réaliser. Généralement le béton est fabriqué dans des centrales de béton de BPE " Béton Prêt à l'emploi ", dans des centrales de chantier (fig. 7.1) ou bien dans des bétonnières (fig. 7.2) pour les petits chantiers.

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Le béton frais obtenu après le mélange doit être homogène et avoir la consistance préalable pour les travaux concernés. Pour assurer la réussite de cette opération, il faut choisir un matériel adapté et déterminer un temps de mélange suffisant. Parmi les facteurs influant sur l'homogénéité du mélange du béton, on peut notamment souligner:      

La régularité de chaque constituant : les données retenues pour fixer les paramètres de dosage ou de mélange ne doivent pas être remises en cause par d'éventuelles variations de ceux-ci ; La détermination d'une composition de béton tient compte de sa destination et des constituants utilisés : type et classe de ciment, nature et granularité des granulats, adjuvants ; La teneur en eau; Le type de matériel utilisé pour le mélange ; La durée de mélange et Les conditions de transport du béton entre sa fabrication et sa mise en œuvre.

Fabrication du béton frais La fabrication du béton se fait en trois étapes principales : le choix des matériaux (constituants) qui vont être utilisés pour réaliser un béton , le dosage des constituants pour déterminer les propriétés principales du béton frais ainsi qu'en l'état durci (résistance à la compression, la durabilité etc.) et le malaxage, qui est une des phases importantes de la fabrication du béton, car il va conditionner la qualité de son homogénéité, donc pour assurer la réussite de cette dernière opération, il faut choisir un matériel adapté et bien déterminer un temps de malaxage suffisant.

fig. 7.3: Schéma de la fabrication du béton frais

Le béton préfabriqué Le béton préfabriqué (produit en béton fabriqué en usine) est la production industrialisée de composants. Cette production s'est axée depuis plusieurs années sur les composants de structures :   

poteaux et poutres en béton précontraint ou armé, composante de façade, éléments pour plancher : prédalles, poutrelles, dalles, alvéolées,

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 

escaliers, béton à bancher, dalles de couverture La fabrication en usine de produits en béton permet de rationaliser la production, d'apporter la qualité d'une fabrication industrielle et de réaliser une importante économie de main-d'œuvre sur le chantier. La gamme des éléments élaborés en usine est très diverse, depuis l'élément standardisé comme le bloc jusqu'à des éléments qui ont plusieurs avantages, dont la disponibilité sur catalogue et leurs possibilités d'assemblage. L'opération de la fabrication du béton préfabriqué (fig. 7.4) généralement se compose de la préparation du béton frais, la préparation des armatures (mailles, cadres, treillis soudé etc.), la mise en œuvre les armatures, le bétonnage et compactage (par vibration) , le durcissement (cure). Pour fabriquer certains types d'éléments en béton préfabriqué (escalier, blocs à bancher etc.) il est obligatoire de porter des opérations supplémentaires.

fig. 7.4: Schéma de la fabrication du béton préfabriqué.

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